BTBと水素の発生量から中和点を決める
うすい塩酸Aと、うすい水酸化ナトリウム水溶液Bがある。BTB溶液は酸性で黄色、中性で緑色、アルカリ性で青色を示す。塩酸A20cm³をビーカーにとり、Bを少しずつ加えてよくかき混ぜ、加えたBの体積だけが異なる混合液をいくつか用意した。それぞれの混合液にマグネシウムリボン0.10gを入れて発生する水素の体積を測ると、Bが0cm³のとき60cm³、10cm³のとき30cm³、15cm³のとき15cm³、20cm³のとき0cm³、25cm³のとき0cm³であった。どの場合も、マグネシウムリボンは反応のあと一部が残っていた。また、混合液のBTB溶液の色は、Bが15cm³のときは黄色、25cm³のときは青色であった。塩酸Aの濃度を2倍にした塩酸Cも用意した。水素は塩酸中の水素イオンとマグネシウムの反応で発生し、その体積は残っている塩酸の量に比例するものとする。水温と気圧は一定で、水素は水にほとんど溶けないものとする。
1. 塩酸A20cm³とちょうど中和するBの体積は何cm³か。水素の体積のデータを根拠に説明せよ。
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- マグネシウムはどの場合も残っているので、発生する水素の量を決めているのは「残っている塩酸の量」である。
- Bが0→10→15cm³と増えると、水素は60→30→15cm³と減る。0と20cm³を結ぶ直線（60cm³×(20−x)/20）で考えると、x＝15のとき15cm³となり、測定値と一致する。つまり水素の量はBの体積に対して直線的に減っている。
- Bが20cm³で水素が0になったのは、塩酸が残っていないから。25cm³でも0なのは、塩酸がなくBが過剰でも水素は発生しないからである。
- したがって中和点はB 20cm³。塩酸A20cm³とB20cm³が過不足なく反応する（体積比1：1）。
- BTBの色だけでは、緑が中和点とは限らず、酸性側でもアルカリ性側でも判定が変わるため、水素の量のデータのほうが確実である。
2. Bを15cm³加えた混合液と、25cm³加えた混合液について、BTBの色と、その中に存在するイオンの種類をそれぞれ答えよ。
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- B15cm³：中和点（20cm³）より少ないので塩酸が残り、酸性。BTBは黄色。イオンは、残った酸の水素イオンH⁺、塩酸の塩化物イオンCl⁻、加えたBに由来するナトリウムイオンNa⁺。
- B25cm³：中和点をこえてBが過剰なのでアルカリ性。BTBは青色。イオンはNa⁺、Cl⁻、そして過剰なBに由来する水酸化物イオンOH⁻。H⁺は中和で消費され、ほぼ存在しない。
- ちょうど中和したときはNa⁺とCl⁻だけが残り、BTBは緑色になる。
3. 塩酸C（濃度が塩酸Aの2倍）20cm³をちょうど中和するのに必要なBの体積は何cm³か。また、そのとき生じる食塩の質量は、塩酸A20cm³を中和したときの何倍か。
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- 中和に必要なBの体積は、中和する塩酸の量に比例する。濃度2倍で体積が同じなので塩酸の量は2倍になり、必要なBは 20×2＝40cm³。
- 生じる食塩の量は、中和した水素イオンと水酸化物イオンの数で決まる。塩酸の量が2倍なら生じる食塩の粒子の数も2倍なので、質量も2倍。
- 体積が40cm³になっても、Bの濃度は変えていないので、中和点のときのBの体積が変わるだけで、反応の量的な関係（1：1）は同じである。