白い粉末Xの成分を決める
ある中学校の文化祭で、生徒が白い粉末Xを調べた。Xは2種類の物質の混合物で、候補は塩化ナトリウム、炭酸カルシウム、硫酸ナトリウムのうちの2つである。Xを3.0 gとり、水50 mLを加えてよくかき混ぜ、ろ過した。ろ紙上の固体を水で洗って乾燥させると1.2 gだった。この固体にうすい塩酸を加えると、盛んに気体が発生し、固体はすべて溶けた。発生した気体を石灰水に通すと白く濁った。一方、ろ液にうすい硝酸を加えても変化は見られなかったが、その後に硝酸銀水溶液を加えると白色の沈殿が生じた。さらに、ろ液に塩化バリウム水溶液を加えても変化はなかった。生徒は「ろ紙上の固体は炭酸カルシウムで、ろ液には塩化ナトリウムが溶けている」と考えた。Xは完全に混ざっており、各物質は反応せずに存在するものとする。質量の測定誤差は小さく、ろ液の量は十分にあるものとする。硫酸ナトリウムが含まれていれば、ろ液に硫酸イオンが存在するはずである。生徒は、それぞれの操作が何を確かめるためのものかを整理して判断することにした。
1. ろ紙上の固体と、ろ液に溶けている物質をそれぞれ推定せよ。根拠を、塩酸・石灰水・硝酸銀水溶液・塩化バリウム水溶液の結果から説明せよ。
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ろ紙上の固体は炭酸カルシウム。水に溶けず、うすい塩酸で気体を発生し、その気体が石灰水を白く濁らせたから、炭酸イオンを含む炭酸カルシウムと判断できる。候補の中で水に溶けない炭酸塩は炭酸カルシウムである。ろ液は塩化ナトリウム。硝酸酸性で硝酸銀水溶液を加えると白色沈殿が生じたので塩化物イオンがある。塩化バリウム水溶液で変化がないので硫酸イオンはない。したがって、ろ液に溶けているのは塩化ナトリウムで、Xは炭酸カルシウムと塩化ナトリウムの混合物。
2. X 3.0 gに含まれる炭酸カルシウムの質量と質量パーセントを求めよ。また、残りが塩化ナトリウムであるとすると、塩化ナトリウムの質量はいくらか。
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洗って乾燥したろ紙上の固体1.2 gが炭酸カルシウムである。質量パーセントは 1.2/3.0×100 = 40%。残りは 3.0−1.2 = 1.8 g で、これが塩化ナトリウムにあたる。質量パーセントは 1.8/3.0×100 = 60%。ただし、ろ紙上の固体が完全に炭酸カルシウムで、洗浄で失われた物質がないと仮定した計算である。
3. ろ液に硝酸銀水溶液を加える前に、うすい硝酸を加えるのはなぜか。炭酸カルシウムがろ液に混ざった場合を想定して説明せよ。
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炭酸イオンが残っていると、硝酸銀を加えたときに炭酸銀の白色沈殿が生じ、塩化物イオンの白色沈殿と区別できない。うすい硝酸を加えると炭酸イオンは二酸化炭素として追い出され、炭酸銀の生成を防げる。その後に硝酸銀を加えて白色沈殿が生じれば、塩化物イオンによる塩化銀と判断できる。この操作は、炭酸イオンによる誤判定を防ぐための前処理である。