塩酸と水酸化ナトリウム水溶液の中和 - 温度とpHから中和点を探る
うすい塩酸20.0 cm³をビーカーにとり、うすい水酸化ナトリウム水溶液を少しずつ加えてよくかき混ぜ、加えるたびに水溶液の温度とpHを測定した。用いた水溶液はどちらも20.0℃で、密度は1.0 g/cm³、ビーカーの熱容量と空気への放熱は無視できるものとする。加えた水酸化ナトリウム水溶液の量と測定値は次のとおり。0 cm³：20.0℃、pH 1.5。5.0 cm³：22.0℃、pH 2.0。10.0 cm³：24.0℃、pH 2.5。15.0 cm³：26.0℃、pH 7.0。20.0 cm³：25.4℃、pH 11.0。25.0 cm³：24.8℃、pH 11.5。塩酸と水酸化ナトリウム水溶液の濃度が、ちょうど中和する量の関係になっているかどうかは、実験前にはわかっていない。生徒の一人は「温度が一番高くなったところが中和点だ」と考え、別の生徒は「pHが7になったところで判断すべきだ」と主張して意見が分かれた。
1. 中和が完了したのはどの時点か。温度とpHの両方を根拠に説明せよ。
Read the worked answer
中和が完了したのは、水酸化ナトリウム水溶液を15.0 cm³加えた時点である。 pHに着目すると、15.0 cm³でpHが7になり、H+とOH-の数が等しくなったことがわかる。それより少ないときはpHが7より小さくH+が余り、多いときはpHが7より大きくOH-が余っている。 温度に着目すると、15.0 cm³までは5.0 cm³ごとに2.0℃ずつ上がっているが、それ以降は下がっている。中和が終わると発熱が起こらず、そこへ20.0℃の水酸化ナトリウム水溶液が加わるので、混合液がうすまって温度が下がる。 したがって「温度上昇が止まる点」と「pHが7になる点」は一致し、どちらからも中和点は15.0 cm³と判断できる。
2. 水酸化ナトリウム水溶液を20.0 cm³加えたとき、水溶液中に多いイオンは何か。また、H+がほとんど存在しない理由を説明せよ。
Read the worked answer
多いイオンは Na+、Cl-、OH- である。 塩酸から生じたH+は、加えたNaOHから生じたOH-と反応して水になった。15.0 cm³でちょうど中和しているので、20.0 cm³加えた時点ではNaOHが余り、その分のOH-がそのまま残る。 Cl-は反応せずにそのまま存在する。水溶液全体は電気的に中性なので、Na+の数はCl-の数より多く、その差がOH-の数に等しくなる。H+は水の電離によるごくわずかな量しか存在しない。
3. 塩酸の濃度を2倍にしたものを20.0 cm³使うと、中和に必要な水酸化ナトリウム水溶液の量、発生する熱量、温度上昇はそれぞれどうなるか。もとの実験と比べて説明せよ。
Read the worked answer
中和に必要な水酸化ナトリウム水溶液の量は、塩酸に含まれるH+の数が2倍になるので、2倍の30.0 cm³になる。 中和で発生する熱量は、反応するH+とOH-の数に比例するので2倍になる。 温度上昇は「熱量÷(溶液全体の質量×比熱)」で決まる。もとの実験の溶液は 20.0+15.0 = 35 g、新しい実験では 20.0+30.0 = 50 g になる。 温度上昇は 2 × (35÷50) = 1.4倍となり、2倍にはならない。発生する熱は2倍でも、温める溶液の質量も増えるからである。 逆に塩酸の体積を半分の10.0 cm³にすると、必要なNaOHも熱量も半分、溶液の質量も半分になるので、温度上昇はほぼ変わらない。