こぼれた塩酸の中和とpHの急変
理科部で、金属板の汚れを落とすためにうすい塩酸を使った。200mLの塩酸がトレーにこぼれ、pHを測ると1.8だった。換気をしながら炭酸水素ナトリウムを1.0gずつ加え、よくかき混ぜてpHと温度を測った。加えた質量とpHは、0gで1.8、1gで2.1、2gで2.5、3gで3.1、4gで5.6、5gで7.2、6gで8.0だった。温度は21.0℃から、4gで25.8℃、5gで26.0℃、6gで25.6℃と変化した。泡の発生は5g付近でほとんど分からなくなった。塩酸の濃度は表示から約0.10mol/Lと推定されるが、汚れの成分が少し溶けている。生徒は「pHが7になった5gで止めればよいか、それとも泡が消えるまで加えてよいか」と迷っている。炭酸水素ナトリウムは水に溶け、塩酸と反応して塩化ナトリウム、水、二酸化炭素を生じる。反応熱で温度が上がるが、加えすぎると未反応の炭酸水素ナトリウムが残り、pHが塩基性側に傾く。廃液は中和してから流す決まりだが、pHだけでなく残った酸の量も確認したい。実験室のpH計は±0.1の誤差がある。
1. 5gで加えるのをやめる判断と、6gまで加える判断を比較し、この実験ではどちらが安全か。pHと泡の記録を根拠に説明せよ。
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5gでpH7.2、泡がほぼ終わるので、酸はほぼ中和されたと判断できる。6gではpH8.0となり塩基性に傾き、未反応の炭酸水素ナトリウムが残る。 廃液を流す目的なら、強酸が残るより弱い塩基性側にわずかに傾く方が危険は小さいが、pHだけでは中和完了を断定できない。5gで撹拌後しばらく置き、pHが7付近で安定し、泡が出ないことを確認して止めるのがよい。6gまで加える必要はない。
2. 4gから5gでpHが大きく上がる理由を、反応の進み方とイオンの観点から説明せよ。
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塩酸のH+が炭酸水素ナトリウムのHCO3-と反応し、H2OとCO2になる。4g付近まではH+が残るためpHは比較的低い。 中和点に近づくと、加えたHCO3-が残りのH+を急に消費し、H+濃度が大きく下がるのでpHが急上昇する。5gではほぼ中和点でpH7.2。さらに加えるとHCO3-が余り、pHは8.0へ上がる。温度が5gで頭打ちになるのも、中和反応がほぼ終わり、反応熱が増えなくなることと対応する。
3. この中和で起こる反応を化学反応式で書き、二酸化炭素が発生することを確かめる方法を一つ述べよ。
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HCl + NaHCO3 → NaCl + H2O + CO2。 確かめ方: 発生した気体を石灰水に通すと白く濁る（炭酸カルシウムが生じる）。または、燃えている線香を近づけると消えることでもCO2らしいと分かるが、石灰水の白濁の方が二酸化炭素の確認として適切。泡が出なくなったことは反応終了の目安だが、気体の確認とpHの確認を組み合わせる。