炭酸ナトリウム試料の純度と指示薬の選択
ある生徒が、炭酸ナトリウムを含む試料2.00 gを水に溶かして250 mLにした。試料には不純物として塩化ナトリウムまたは炭酸水素ナトリウムが含まれている可能性がある。この溶液の25.0 mLをホールピペットで取り、0.100 mol/Lの塩酸で滴定した。指示薬にはメチルオレンジを用い、溶液が赤色に変わるまでに18.0 mLの塩酸を要した。メチルオレンジは酸性側（pH約4.5）で変色するため、この終点では炭酸ナトリウムは二酸化炭素まで反応している。生徒は不純物を塩化ナトリウムと仮定して、試料中の炭酸ナトリウムの純度を計算した。塩酸の濃度は正確に0.100 mol/Lである。滴定は3回行い、終点の体積は17.9 mL、18.0 mL、18.1 mLであった。平均値を用いることにした。炭酸ナトリウムの式量は106、炭酸水素ナトリウムの式量は84とする。試料は完全に溶けており、滴定中に気体が発生した。ピペットとビュレットは使用前に純水で洗い、ビュレットは塩酸で共洗いした。三角フラスコは純水で洗った後、軽く水を切った。室温は25°Cで、滴定中に溶液の温度はほとんど変化しなかった。試料の色は白色で、目立つ結晶は見られなかった。
1. 試料中の炭酸ナトリウムの質量と純度を計算せよ。ただし、不純物は塩化ナトリウムと仮定する。
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消費された塩酸の物質量は 0.100 mol/L × 0.0180 L = 1.80 × 10⁻³ mol。炭酸ナトリウムと塩酸の反応は Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + CO₂ + H₂O なので、Na₂CO₃ は HCl の半分の物質量となる。25.0 mL 中の Na₂CO₃ は 1.80 × 10⁻³ ÷ 2 = 9.00 × 10⁻⁴ mol。250 mL 中ではその10倍で 9.00 × 10⁻³ mol。質量は 9.00 × 10⁻³ × 106 = 0.954 g。純度は 0.954/2.00 × 100 ≈ 47.7% となる。
2. 不純物が炭酸水素ナトリウムであった場合、計算した純度は実際より大きく出るか小さく出るか、理由とともに答えよ。
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滴定で消費された塩酸の物質量は 1.80 × 10⁻³ mol。炭酸ナトリウムだけと仮定すると、Na₂CO₃ + 2HCl → 2NaCl + CO₂ + H₂O より、Na₂CO₃ は 9.00 × 10⁻⁴ mol と計算される。しかし炭酸水素ナトリウムが含まれると、NaHCO₃ + HCl → NaCl + CO₂ + H₂O により、1 mol の NaHCO₃ は 1 mol の HCl しか消費しない。同じ HCl 量に対して、実際の Na₂CO₃ は 9.00 × 10⁻⁴ mol より少なくなる。したがって、計算で求めた Na₂CO₃ の質量は実際より大きくなり、純度は実際より大きく出る。
3. 炭酸ナトリウムと炭酸水素ナトリウムを区別して定量する方法を、指示薬の選択に触れて提案せよ。
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フェノールフタレインとメチルオレンジを併用する二段滴定が考えられる。まずフェノールフタレインを加え、無色になるまで塩酸を滴下する。この終点では CO₃²⁻ が HCO₃⁻ に変わる（pH約8.3）。次にメチルオレンジを加え、赤色になるまで続ける。この区間では HCO₃⁻ が CO₂ に変わる（pH約4.5）。最初の滴下量を V₁、追加の滴下量を V₂ とすると、Na₂CO₃ は V₁ に、もともと存在した NaHCO₃ は V₂ − V₁ に対応する。純粋な Na₂CO₃ なら V₂ = V₁ になる。このように、二つの指示薬の終点の差から両者を区別して定量できる。