Transcript 化学の疑問・質問（その１）

化学の疑問・質問
溶解、酸化・還元、酸・塩基
埼玉大学 教育学部 理科教育講座
芦田 実
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化学に関する質問を分類
○溶解現象と溶解度
○酸化・還元と反応式
○酸と塩基
高校生や大学生が分かりにくいこと、誤解していることを解説
⇒
溶解現象と溶解度
溶けるとは？
質問21
溶けるとはどういうこと？
砂糖が水に溶けると、なぜ見えなくなるの？
回答
分子レベルで均一に分散し、見えなくなった
氷砂糖は無色透明 （白色は色ではない）
粉砂糖も顕微鏡で見れば無色透明の粒
⇒
ネルンストの溶解速度の式
質問22
砂糖はお湯には溶けやすいのに、なぜ水に
は溶けにくいの？
回答
温度が上がると、分子運動などが激しく拡散
係数Ｄが増加して、溶解速度Ｒが大きくなる
分子運動などが激しくなるほど、固体が析出
し難く溶解度Ｃｏが大きくなる
⇒
質問23
ヨーグルトに付いてくる砂糖はどうしてすぐ溶けるの？
回答
ヨーグルトの砂糖は、グラニュー糖を砕いて粉末にし
たり、それをさらに顆粒状に固めたもの
顆粒状糖は多孔質なので、水が浸み込んでバラバ
ラになって溶けやすい
溶解は表面現象なので、表面積Ｓが大きいほど溶解
速度Ｒが大きい
かき混ぜて、拡散係数Ｄを増加させ、拡散層δを減
少させれば、溶解速度Ｒが大きくなる
⇒
質問102
コップの水にスプーン１杯の砂糖は溶けるの
に、なぜ砂は全く溶けないの？
回答
溶けるには限度がある（溶解度Ｃｏ）
溶解度が非常に小さいだけで、砂も溶けている
砂糖も多量に入れれば、溶解度に達して溶け
なくなる
⇒
水に対する無機化合物の溶解度
（無水物に換算した値）（25℃）
AgCl 1.9×10-4 %
NaCl 26 %
PbCl2 1.1 %
BaCO3 0.0018 % Na2CO3 23 % CaCO3 0.082 %
Ag 2.8×10-6 % Hg 2.5×10-6 % Pb 3×10-5 %
PbS 1×10-4 % CuS 2.4×10-14 % NiS 5×10-9 %
BaSO4 2.2×10-4 %
PbSO4 4.5×10-3 %
⇒
質問230
水に1-ブタノールは溶けないのに、構造異性体の2-メ
チル-2-プロパノールが溶けるのはなぜ？
アルコール同士だと、どんな組合わせでも溶けるの？
回答
1-ブタノールは水に飽和濃度まで溶ける。水も1-ブタ
ノールに飽和濃度まで溶ける（相互溶解度）
アルコールは極性のＯＨ基と無極性の炭素鎖でできて
いる。極性の方が強いほど極性溶媒の水によく溶ける
側鎖は分子が集合するときの障害になり、直鎖の異性
体より水に溶けやすい
アルコール同士でも炭素数が非常に少ない物と多い物
は混合しにくい
⇒
種々の液体の相互溶解度
種々の液体の相互溶解度
質問40
溶け方と極性の関係は？
回答
溶媒と溶質に両方とも極性があればよく溶
ける
溶媒と溶質に両方とも極性がなければよく
溶ける
一方に極性があり、他方に極性がなければ
溶け難い
⇒
極性の強さ
化学物質
水
双極子ﾓｰﾒﾝﾄ(D) 1.85
ｴﾀﾉｰﾙ ﾍﾞﾝｾﾞﾝ
1.44 0.1以下？
化学物質
塩化ﾅﾄﾘｳﾑ ナフタレン
双極子ﾓｰﾒﾝﾄ(D)
9.00
0.1以下？
1 D=3.33×10-30 C･m
⇒
極性の大小と溶解度の関係
溶解度（質量％）
極性大
水
エタノール
極性小 ベンゼン
極性大
極性小
塩化ﾅﾄﾘｳﾑ
ナフタレン
26.4
0.0031
0.148
10.6
不溶？
40.4
⇒
質問34
温度による溶解度差を利用しないで再結晶さ
せる方法は？
回答
煮詰めれば固体が析出する。熱に弱い物質
はエバポレーターやフリーズドライを利用する
他の溶媒を添加する（例えば、塩化ナトリウム
水溶液にエタノールを加えると、塩化ナトリウ
ムの固体が析出する）
⇒
酸化・還元と反応式
反応する？ しない？
質問119
王水は金や白金を溶かすのに、ガラス容器は
なぜ溶けないの？
回答
王水の組成 濃硝酸：濃塩酸＝１：３
強酸と強力な酸化力で貴金属を酸化して溶かす
普通のソーダ石灰ガラスの組成 Na2O・CaO・5SiO2
全て酸化物なので、これ以上酸化されない
Na2OとCaOは単独なら酸に溶けるが、SiO2は酸に溶
けない。結局、王水に溶けない
⇒
質問141
銀の指輪を温泉につけたら黒くなった。アルミの鍋で
食塩水で煮たら元に戻った。なぜ？
回答 （酸性の場合）
標準電極電位（正値の反応ほど右に進む）
(1) Al3+ + 3e- → Al
-1.68V
(2) Ag2S + 2e- → 2Ag + S2- -0.69V
(3) S + 2e- → S2-0.45V
(4) S + 2H+ + 2e- → H2S(g) +0.17V
(5) Ag+ + e- → Ag
+0.80V
温泉につけると硫化銀が生じ黒ずむ。酸性温泉なら
式(2)が左に、式(4)が右に進む。式(5)は反応しない
2Ag + S2- + S + 2H+ → Ag2S + H2S(g)
∴ 2Ag + S → Ag2S
⇒
質問141（続）
銀の指輪を温泉につけたら黒くなった。アルミの鍋で
食塩水で煮たら元に戻った。なぜ？
回答（続） （アルミの鍋）
標準電極電位（正値の反応ほど右に進む）
(1) Al3+ + 3e- → Al
-1.68V
(2) Ag2S + 2e- → 2Ag + S2- -0.69V
(3) S + 2e- → S2-0.45V
(4) S + 2H+ + 2e- → H2S(g) +0.17V
(5) Ag+ + e- → Ag
+0.80V
アルミの鍋で煮ると、アルミニウムイオンが生じ、銀
が析出して元に戻る。食塩は電子を運ぶ？式(1)が
左に、式(2)が右に進む
2Al + 3Ag2S → 2Al3+ + 6Ag + 3S2⇒
質問189
KMnO4による酸化還元滴定でHCl はなぜ使えない？
回答 （塩酸）
酸性中の標準電極電位（正値の反応が右に進む）
(1) Cl2(g) + 2e- → 2Cl+1.36V
(2) MnO4- + 4H+ + 3e- → MnO2 + 2H2O +1.70V
Cl-がMnO4-で酸化されCl2がゆっくり発生する
6Cl- + 2MnO4- + 8H+ → 3Cl2↑ + 2MnO2 + 4H2O
電位差が大きいほど反応速度が大きい
⇒
質問189（続）
KMnO4による酸化還元滴定でHCl はなぜ使えない？
回答（続） （硫酸）
酸性中の標準電極電位（正値の反応が右に進む）
(3) 2SO42- + 4H+ + 4e- → S2O62- + 2H2O -0.25V
(4) SO42- + 4H+ + 2e- → H2SO3 + H2O
+0.16V
(2) MnO4- + 4H+ + 3e- → MnO2 + 2H2O +1.70V
(5) S2O82- + 2e- → 2SO42+1.96V
方向が逆なのでSO42-はMnO4-と反応しない
⇒
質問170
水溶液と金属の反応？
① CuSO4aq + Fe ② FeSO4aq + Cu
回答
① Fe2+ + 2e- → Fe -0.44V Cu2+ + 2e- → Cu +0.34V
∴ Fe + Cu2+ → Fe2+ + Cu
② 反応しない。 Fe2(SO4)3aq + Cu ならば反応する
Cu2+ + 2e- → Cu +0.34V Fe3+ + e- → Fe2+ +0.77V
∴ 2Fe3+ + Cu → 2Fe2+ + Cu2+
銅のエッチング等に利用する
⇒
質問155
ろ紙に食塩水を吸わせてスチールウールをのせ、
電極をつなぎ、スチールウールにヨードチンキを
たらすと電流が流れた。なぜ？
回答
スチールウール(Fe) Fe2+ + 2e- → Fe -0.44V
ヨードチンキ(I2-KI) I3- + 2e- → 3I- +0.54V
∴ Fe + I3- → Fe2+ + 3I食塩水を吸わせたろ紙は導線の役目
⇒
質問175
10円と１円とレモンを使って豆電球を点灯させたい
回答
金属は、みがいて表面の酸化膜を落として使う
接触面積が大きいほうが大電流を取り出せる
並列つなぎ→大電流、直列つなぎ→大電圧
直列つなぎで、金属間にレモン汁を１つおきに入れる
材料 ｽﾃﾝﾚｽ(ｽﾌﾟｰﾝ、ﾎｰｸ)、ｱﾙﾐﾆｳﾑ(ｱﾙﾐﾌｫｲﾙ、
1円）、亜鉛、炭素(備長炭、炭素棒)、銅(10円)、
鉛、お酢、しょう油、ワイン、レモン汁等
少電流で作動 発光ダイオード、電子オルゴール
中電流で作動 アナログ時計、モーター
⇒
質問175（追加）
10円と100円ではなぜ点灯しないの？
回答
10円は青銅(Cu95%、Zn4～3%、Sn2～1%)製
50円や100円は白銅(Cu75%、Ni25%)製
主成分が同じなので起電力が小さく、電流
が流れ難い
⇒
質問202
スライムはなぜ電池になるの？
回答
同意 食塩水で湿らせたろ紙はなぜ電池になるの？
スライムは脇役、電圧を発生させる電極が主役
スライムはポリビニルアルコールPVAとホウ砂と水
からできている
PVA（ろ紙）はホウ砂（食塩）水溶液を入れてるだけ
ホウ砂はNa+等を含み、電流を流す手伝いをする
スライムは流動性があり、イオンが移動できる
⇒
質問50
鉄ミョウバン(触媒)による過酸化水素分解反応で、
酸素だけでなく、水素も発生するの？
回答
H2O2からは水素は発生しない
H2O2は酸化剤としても、還元剤としても働く
H2O2 → O2 + 2H+ + 2e- 2Fe3+ + 2e- → 2Fe2+
∴ H2O2 + 2Fe3+ → O2 + 2H+ + 2Fe2+
H2O2 + 2H+ + 2e- → 2H2O 2Fe2+ → 2Fe3+ + 2e∴ H2O2 + 2H+ + 2Fe2+ → 2H2O + 2Fe3+
以上より 2H2O2 → 2H2O + O2
⇒
酸と塩基
ｐＨとは？
質問174
酸性の川水は炭酸カルシウムでなぜ中和できるの？
炭酸○○は酸性ではないの？
回答
CaCO3 は水に溶けて Ca2+ と CO32- に電離する
CaCO3 ⇔ Ca2+ + CO32弱酸の CO32- は加水分解して OH- を生ずる
CO32- + H2O ⇔ HCO3- + OHHCO3- ⇔ CO2 + OHこの OH- が川の酸性を中和する
H+ + OH- ⇔ H2O
⇒
質問116
弱酸と弱塩基の塩 (NH4)2CO3 は中性なのに、
なぜ塩酸と中和反応するの？
回答
H+ と反応して CO32- が HCO3- に、さらに
H2CO3 すなわち H2O と CO2 に変化する
もし、NaOH を加えるならば OH- と反応し、
NH4+ が NH3 と H2O に変化する
⇒
質問154
アンモニアの乾燥剤に濃硫酸は
なぜ使われないの？
回答
脱水作用（水和）が起こる
H2SO4 + xH2O → H2SO4・xH2O
さらに、硫酸アンモニウムが生成するため
H2SO4 + 2NH3 → (NH4)2SO4
⇒
質問237
中和と中性(pH7)の違いは？ 塩酸をNaOH水溶液で
滴定するとき、指示薬はなぜﾌｪﾉｰﾙﾌﾀﾚｲﾝでいいの？
回答 （中和と中性）
中和は化学反応、中性は化学的性質で別物
酢酸をNaOH水溶液で中和すると酢酸ナトリウムが
でき、酢酸イオンが加水分解して水酸化物イオンを
生じる(塩基性)
CH3COOH + NaOH → CH3COO- + Na+ + H2O
CH3COO- + H2O ⇔ CH3COOH + OH⇒
質問237（続）
中和と中性(pH7)の違いは？ 塩酸をNaOH水溶液で
滴定するとき、指示薬はなぜﾌｪﾉｰﾙﾌﾀﾚｲﾝでいいの？
回答（続） （ﾌｪﾉｰﾙﾌﾀﾚｲﾝ）
中和点の近くではpHが大きく変化する
中和点のpHと指示薬の変色pHが少しずれても、
実験誤差は非常に小さい
例 半滴0.02mLが滴下量10mLに及ぼす誤差は0.2%
pHジャンプする領域で変色する指示薬を使う
⇒
質問193
弱酸と強塩基の滴定をｐＨメーターを使ってす
るには？ ｐＨジャンプの始点と終点はどこ？
回答
酢酸とNaOH
水溶液の場合
はpH8～9を当
量点（ちょうど
中和する点）
とする
pHジャンプの
領域7.5～10
⇒
質問225
中和滴定でpHジャンプする理由は？
回答
強酸と強塩基の中和滴定ではｐＨジャンプする
弱酸と弱塩基では緩衝効果によりジャンプしない
初濃度C=0.1mol/L ≫ 当量点1×10-7mol/L
水のイオン積Kw=[H+][OH-]=1×10-14mol2/L2
[H+]と[OH-]が反比例している
当量点で[H+]と[OH-]の大小が逆転し急変する ⇒
質問225（続） ｐＨ曲線と[H+]、[OH-] （近似計算）
HCl-NaOH系 初濃度C＝0.1mol/L Kw＝1×10-14mol2/L2
質問196
なぜpH=8の塩酸は存在しないの？
回答
水中ではpH>7の塩酸は存在しない
水が極弱い酸(CO2なしで25℃の純水がpH=7)
[HCl]<1×10-7mol/Lの場合、水から生ずる[H+]
のほうが大きい
有機溶媒(水よりも弱酸)中ならpH>7の塩酸が
調製できそう
必ず溶媒のpH以下になる
⇒
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縮小版１（埼玉大学
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http://rikadaisuki.edu.saitama-u.
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終わり