逆滴定(二段滴定)の計算問題の解法!アンモニアと二酸化炭素を完璧にしろ!

逆滴定の考え方

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和滴定って元となる基礎が

それほど難しくないのに、

 

入試問題になると

なんかすごく難しくないですか?

実は中和滴定は、色々パターンがあって、

この『逆滴定』がそう思わせているのです。

 

なので、この記事では、

徹底的に!超丁寧に!

『逆滴定』の解法をまとめていきます!

逆滴定って何ですか?

落ちこぼれ受験生のしょうご
逆滴定ってイマイチよくワカラヘン、、、

 

池下先生(高校教師)、通称イケ氏
中和はね〜水素イオン=水酸化物イオンのことだよ〜〜
落ちこぼれ受験生のしょうご
それで分からんから困ってんのにな〜

 

多くの受験生は、この逆滴定を

キッチリ順序立てて理解できていませんし、

学校の先生や参考書、また他のサイトでも

逆滴定をする理由を全く理解していない人が

教えていることが多くあるのです。

 

あなたが知っている普通の『中和滴定』と『逆滴定』の違いは、

今から調べる酸または塩基が、

液体』か『気体』かの違いなのです。

 

 

普通の中和滴定は、

普通の中和滴定

この図のようにわからない量を求めるために滴定すれば、1対1対応で量がわかるようになったのです。

つまり、酸の溶液を知りたければ塩基で一回滴定したらすぐに反応がわかったのです。そう、溶液を滴定することは簡単なのです。

 

しかし、気体の量を知りたいとなれば、話は別です。なぜなら気体を滴定することができないからです。

二酸化炭素

例えば、この二酸化炭素のモルを知りたいとします。てことは、まず溶液に溶かす必要がありますよね。

しかし、この二酸化炭素をすべて水に溶かしきることは出来るでしょうか?

二酸化炭素の逆滴定

水だと100%溶かし切ることはできません。

二酸化炭素の逆滴定

このように、溶けきれなかった気体が一部出てきてしまいます。

そこで、水ではなく二酸化炭素のように酸性の気体は、強塩基で中和してしまって塩として溶液中に閉じ込めておくのです。

二酸化炭素の逆滴定

このように水酸化ナトリウムなどのような強塩基を使えば、二酸化炭素と中和反応をしてNa2CO3として溶液中にとどめておくことができます。

すると、外に出ていく気体をなくすことができます!このとき重要なことは、水酸化ナトリウムはだいぶ多めに準備しておくということです。

水酸化ナトリウムを多めに用意して置かなかったら、二酸化炭素を中和しきれずに二酸化炭素が気体に戻ってしまうからです。

逆滴定

このようになるのです。(後ほど二酸化炭素の逆滴定については徹底的に解説します)で、この気体の量をそうやって求めるかって言うと、

逆滴定の考え方

このように、黄色矢印の部分を求めることができれば、全体から引けばわからん気体の量がわかります。このように引き算で求めるのです

これがざっくりとした逆滴定です。

それでは、次の章から入試で出題される2つのパターンについて考えていきましょう!

逆滴定で調べる2パターン

逆滴定で出題されるのは、もはやこの2つと言っても過言ではありません。

それは、二酸化炭素とアンモニアです。この2つが鉄板で出題されます。

なので、このアンモニアと二酸化炭素の2パターンをきっちり出来るようにしておきましょう!

アンモニアの逆滴定

アンモニアを中和滴定で定量したい、

じゃあ、アンモニアを水に溶かそう!

 

と思いますが、冒頭でも話しました。

気体を水に完璧に溶かすのは

至難の業です。

 

どれだけアンモニアが溶けやすいと言えども

すべて解けきるのはむずい。

アンモニアの逆滴定
全て溶けないと中和滴定でNH3

の量を測ったとして、それは元の量じゃない、

ということは、正確にもとの量を

測る事が出来ないのです。

 

つまり、先程行ったようにアンモニアを『強酸』で中和して溶液中にとどめておきます!

NH3の逆滴定の手順と物質量の関係

水にNH3は完全には溶けないので、

大量の塩酸の標準溶液(濃度がわかっている溶液)

中和吸収させるのです。

塩化アンモニウム

塩になることで溶液中に確実に溶けて、空気中に出ていくことがあらへん!ここで中和で100%NH3を溶液中にとどめておきます!

過剰でないとアンモニアを全て

中和吸収できるか微妙になってしまいます。

だから、明らかに多い量のHClを用いるのです。

 

このときの反応式は

NH3+HCl→NH4Cl

⇒NH3の物質量は、下の線分図より

下式の用に求められる。

アンモニアの逆滴定

そして、上の図の

黄色い矢印

この黄色矢印の部分をNaOHで滴定してどれくらいのモルかわかれば、必然的にNH3のモルがわかります。

NaOHで滴定するアンモニアの逆滴定

まあ、ここまで余裕で理解したって人は、もう後は早い。もうチェック・メイトしてる。

NH3の物質量=HClの全物質量-NaOHの物質量
これは見たらもう余裕で納得してくれるはずです。
多くの問題はこのあたりで終わってくれます。しかし、レベルが高いこのブログの読者のためにもう少し踏み込んで

NH3の逆滴定の滴定曲線とpH指示薬

そう、中和滴定といえば滴定曲線。この滴定曲線のことも考えていきましょう!

実は、この逆滴定って

逆滴定の手順

①NaOHとHClの中和(の部分)

②NaOHとNH4Clの弱塩基遊離反応

のように二段階になっています。

先程は、二酸化炭素のモルだけに注目したのですが、HCl VS NaOHの中和が終わった後もNaOHを滴定し続けると、NaOH VS NH4Clの弱塩基遊離反応が起こります。

pH指示薬

NH3の逆滴定では、終点を知るpH指示薬にメチルオレンジ(MO)かメチルレッド(MR)を用います。

その理由は、NH4Clがあるため、塩の加水分解をして溶液の液性が酸性になるからです。

最初溶液の中には

HCl+NH4Clがあります

 

そして、その後NaOHを滴下すると、HClとNaOHの中和が行われます。この中和が終了したときの中和点がNH4Clの塩の加水分解の影響で酸性になるから酸性領域に変色域を持つメチルオレンジかメチルレッドを使います

pH指示薬選択の理由

このHClaqがNH3を中和吸収した溶液は

過剰のHClと中和で生じた

NH4Clの

HCl+NH4Cl混合溶液となっている。

 

この溶液をNaOHaqで滴定した滴定曲線の

概形を考えて行きます。

 

HCl+NH4Cl混合溶液をNaOHaqで

滴定した場合、下記の①〜③の順に反応が起きます。

①溶液中の過剰のSAであるHClがNaOHと中和反応する。

HCl+NaOH→NaCl+H2O②溶液中のHClの中和反応が完了後、NH4ClがNaOHと弱塩基遊離反応する。

NH4Cl+NaOH→NH3+H2O+NaCl

弱塩基のアンモニアが

強塩基の水酸化ナトリウムに

追い出される反応③溶液中のNH3が発生する弱塩基遊離反応が完了後、加えたNaOHは溶液中に残存する

 

NH4+は、水溶液中でH2OにH+

与える反応を起こし、

ブレンステッド説では酸として働きうる。

アンモニウムイオン 酸

①の反応が②の反応より先に起こるのは、

酸の力がHCl>NH4+

“強い”ものが優先反応したからである。

と言う事で、HCl+NH4ClaqをNaOHで

滴定
すると、

 

①HClによるSA性



②弱塩基遊離反応で生じたNH3のWB性



③NaOHによるSB性

 

という順序で溶液の液性は変化する。

これらを滴定曲線に表すと、下のようになる。

滴定曲線 逆滴定 アンモニア

溶液中のSAが反応完了する

(=NH3の逆滴定の反応の終点)

におけるpHジャンプで変色する

変色域を持つpH指示薬は、

 

 

右を見ると分かるように

メチルオレンジ(MO)もしくは

メチルレッド(MR)である。

 

いずれのpH指示薬を用いても、

滴定の終点は赤色から黄色に変化する事でわかる。

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CO2の逆滴定

さあアンモニアの逆滴定を終えて、

「なんか割と楽勝だな〜」と

思った方も多いと思います。

 

そうなんです!実は楽勝!!

『逆滴定』とか言う厚かましい名前が

つくからちょっと難しい気がするけど、

ですが、こっからが本番!

アンモニアに比べて遥かに複雑な

流れがあるのが、

CO2の逆滴定なのです。

 

 

複雑なので、CO2の逆滴定を

徐々に受け入れられるように

簡単な順番で説明して行きます。

①HClaqによるNa2CO3aqの滴定

②HClaqによる(NaHCO3+NaOH)aqの滴定

③CO2の逆滴定

①HClaqによるNa2CO3aqの滴定

反応の概要

CO32-は下の様な構造で

-Oの部分が、SA由来の

H+イオンを受け取り、ブレンスッテッド説で

塩基として振る舞う。

炭酸イオン 構造式
Na2CO3aqにHClaqを加えると、

HCl由来のH+をCO32-が受け取る反応を起こす。

 

CO32-がまず1つ目のH+を受け取る能力が

2つ目のH+を受け取る能力より遥かに強い
ので、

CO32-とH+が物質量比1:1で

反応し、全てHCO3に変化した後、

 

 

HCO3とH+が物質量比1:1で

反応し、H2O+CO2に変化する反応が起こる。

炭酸イオン

つまり、2段階でNa2CO3はHClで滴定されることになる。

炭酸ナトリウム 2段滴定
炭酸ナトリウム 逆的低位

炭酸ナトリウム 逆滴定

このような炭酸ナトリウムの滴定を

二段階滴定』、『二段滴定

と言ったりする。

 

 

この二段滴定の反応式を記すと

以下のようになります。

 

<第1段階>Na2CO3+HCl→NaHCO3+NaCl・・・(1)

<第2段階>NaHCO3+HCl→H2O+CO2+NaCl・・・(2)

滴定曲線

Na2CO3aq+HClaqの滴定曲線は、

以下の(1)~(3)の点に注目すれば!

必ず書けます!

(1)2段階で滴定されるのでpHジャンプが2回出現!

(2)HClaqの滴下量0mLのとき、溶液はNa2CO3aqのみである。

Na2CO3はWA+SB由来の塩

あるから、溶液は塩基性であります。Na2CO3は他の塩と比較すると、

塩の加水分解が進むので、

水溶液はpH=11~12程度になります。

PH=11~12と言うのは、PPの変色域PH=8.0~9.8

より大きいので、PP指示薬を加えると、

溶液は赤色に呈色する。

(3)2回のpHジャンプのうち1回目の中点hあ先の(1)式の反応の完了を表す。

Na2CO3は全てNaHCO3になっている

塩のところで説明したように、

NaHCO3はNa2CO3よりは酸性に近く、

水溶液はpH=8程度になります。

PH=8と言うのは、PPの変色域(pH=8.0〜9.8)

より小さいので、PPを加えると溶液は無色に!

これらの(1)~(3)から下の滴定曲線に

なる事が分かります。

逆滴定 滴定曲線

 

そしてこれらを詳しく解説したのが、

こちらの記事です。

Na2CO3の逆滴定を徹底的に解説したものと

なっております。

 

なので、こちらを完全にご覧下さい!

 

炭酸ナトリウムの二段滴定の受験テク!滴定曲線の書き方!

 

それでは続きをお楽しみください!

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