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!

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どうもわたなべです。

 

炭酸ナトリウムはこれだけでも題材になります。

 

しかし、むずい大学になってくるとCO2の逆滴定の途中過程として出てきます。

 

 

なので二酸化炭素の逆滴定を解く上でも非常に重要なのがこの炭酸ナトリウムの二段滴定なのです。

 

 

Na2CO3の滴定をキッチリ解くための方法を徹底解説して行きます。

 

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炭酸ナトリウムはどういう風に中和されてくの?

炭酸ナトリウムはナトリウム塩です。

ナトリウム塩は水中で完全電離します。



こちらでお話ししています。

炭酸ナトリウムは水中でこんな格好をしています。

炭酸イオン

そして、この-OがH+を受け取ります。

しかし、この2つの-Oには序列があるのです。

この2つには上下関係があって、1つ目の-OがH+を受け取っている間に2つ目の-OがH+を受け取るって言う事はありません。

師弟関係のような感じで師匠が中和されている間は、弟子はまだ中和できません。

つまり、詳しい自己紹介でもお話ししましたが、わたくし、受験化学コーチわたなべには先生が居ます。その先生と俺との関係と同じです。

炭酸イオン
こういう感じです。

つまり、化学的に見ると、反応は下のように二段階で起ります。

そして、反応式で書くと次の2段階で起ります。

炭酸ナトリウム 2段滴定

まず先生がH+を受け取ります

炭酸ナトリウム 逆的低位

その次にわたなべがいただきます。

炭酸ナトリウム 逆滴定

すると炭酸になります。

炭酸は

H2CO3→H2O+CO2

と言う分離反応が起ります。

 

<第1段階>

Na2CO3+HCl→NaHCO3+NaCl

<第2段階>

NaHCO3+HCl→H2O+CO2+NaCl
こんな感じで2段階でpHジャンプが起るこの反応を二段滴定と一般的に言われて居ます。
そして入試に出る二段滴定は大体この炭酸ナトリウムNa2CO3となります。

炭酸ナトリウムの二段滴定の滴定曲線の書き方留意点

それではこの反応がどのような滴定曲線になるかと言う事を考えて行きましょう。

①pHジャンプが2回もある

このように2段階滴定が起るのでなんと普通の滴定では1回しか起らないpHジャンプが2回も起ります。

 

②最初はpH7以上である

もともと溶液にはしかない。

そして、NaOH+CO2なので、

強塩基+弱酸は塩の加水分解で、

塩基性になる

 

塩の加水分解の説明はこちら

 

大体pH11〜12になる。

③先生とわたなべの関係は絶対

一回目のpHジャンプが終わったときに先生は完全に反応をし終える。そしてわたなべは手つかずになっている。

先生が完全に反応して、pHジャンプを終えてから受け取るわけです。

つまり、2回のpHジャンプのうち1回目は先生(CO32-)が完全に反応して(HCO3になっていると考えられます。

 

そうすると、NaHCO3になっているということで、さきほどの、Na2CO3よりも酸性よりになっています。pHにすると、8程度になります。

 

このpHはフェノールフタレインの変色域pH8.0~9.8より小さいため、フェノールフタレイン指示薬を加えると溶液は無色になります。

 

つまり、最初からフェノールフタレインが変色するまでの量のHClを見極めればいいのです!

 

 

①〜③の情報を合わせて滴定曲線を書きます。

逆滴定

こんな感じになる。

 

二段滴定

 

と言う感じです。

 

先生が受け取るH+molと

わたなべが受け取るH+molが

同じなのです。

 

なぜなら、同じ分子の

片手が先生で

もう片手がわたなべだからです。

Na2CO3の物質量の算出!

なぜNa2CO3のモルを求めるのかと言うと、二酸化炭素の逆滴定のときに、二酸化炭素のモルと炭酸ナトリウムのモルが同じだからです。

 

逆滴定は、

CO2+2NaOH→Na2CO3+H2O

の反応が起ります。

 

この反応式を見ても分かるように、CO2のモルとNa2CO3モルが1:1になっています。

 

 

つまりNa2CO3の物質量はCO2の物質量と同じです。

 

 

だからNa2CO3のモルを求めればいいのです!

 

そして、

炭酸イオン
このように先生がH+をうけとりきったことによってNaHCO3であるわたなべになります。

炭酸ナトリウム 二段滴定

Na2CO3 nsmolにつきHCl nsmolが反応、PPが変色。

Na2CO3 nsmolがNaHCO3 nsmolに変化し、そのNaHCO3 nsmolがHCl nsmolが反応、MOが変色

 

結論

これらの事を合わせてまとめると

・Na2CO3 nsmolに対しPP変色までに滴下するHClも、その後MO変色まで加えるHClも共にnsmolで等しい。

⇒HClの加える物質量が等しいので、滴定曲線でのHClの滴下量が等しく、V1=V2mLが成立。

⇒Na2CO3の物質量は、PP変色までのHClの物質量もしくはその後MO変色までに加えたHClの物質量に等しい。

∴Na2CO3=CHCl×V1=CHCl×V2(CHCl:HClaqのモル濃度)

Na2CO3にNaOHが混ざったらどうなる?

ここまで教えて来た炭酸ナトリウムの二段滴定にNaOHが混ざるとどういう反応になるのか?という所を見て行きましょう!

 

先ほど、先生とわたなべの反応でした。

CO32-がH+を受け取り、HCO3になり、さらにそれがH+をうけとるという反応をしていました。

今回は、NaOHが入る事で、OHがH+を受け取る反応も混ざります

H+を受け取る能力は

(SB(強塩基)由来の)OH>CO32-だから下の順序でH+を受け取ります。

 

1.OHとH+が1:1で反応

2.CO32-とH+が1:1で反応

3.HCO3とH+が1:1で反応

滴定曲線はどうなる?

先ほどNa2CO3のみだったときの滴定曲線はこんな感じでした。

二段滴定

しかし、今回はNaOHが混ざっていると言う事から、最初はNaOHのような強塩基のpHとなるはずです。

滴定曲線の概形

(1)滴定曲線の前半は溶液中に残っているNaOHの由来の強塩基性pHのグラフになります。

(2)NaOHが中和された後、Na2CO3がHClで滴定される。つまり、滴定曲線の後半はNa2CO3+HClaqの滴定曲線となります。

 

と、言う事で下のようなグラフになります。

逆滴定 二段滴定

どういうことかわかるだろうか?

この滴定曲線を見ると、

NaOHのpHジャンプが無いと言う事が

分かる!

 

これは、NaOHがpHジャンプをする前に、

Na2CO3が反応し始めるから

だと言えます。

二段滴定 炭酸ナトリウム 水酸化ナトリウム
つまりどういう事かを先生とわたなべで例えると、

先生は、やはりバグっています笑

先生の先輩である強塩基NaOHさんが

H+を受け取っている途中に、

先生は先輩が食べ終わる前に

H+を食べ始めます。

このことにより、

NaOHと炭酸ナトリウムの量の

境目が分からなくなります。

 

どこまでがNaOHの滴定で、どこからがNa2CO3の滴定なのかが分からない

二段滴定+NaOH

 

そこでこの滴定曲線の量関係を考えて行きます。

 

NaOH,Na2CO3の物質量の算出

NaOHの量を知るためには、Na2CO3の物質量が分かればいい!

 

というわけで滴定曲線に聞けばいい!

 

というわけでこれのポイントは、

 

 

(NaOH+Na2CO3)aq+HClaqの滴定曲線に飲みをHClaqで滴定したなら”ここ”から滴定曲線が始まるであろうところに下のような黄色の線のように線を引く!

二段滴定+NaOH

Na2CO3を滴定するのに必要なHClとNaHCO3を滴定するのに必要なHClは同じ量!

 

NaHCO3の滴定に必要なHClの量は、pHジャンプとpHジャンプな間の量ということで分かります!

 

この滴定曲線は絶対に自分でも書く事

 

どうでしたか、実はここまで分かれば逆滴定なんて相手ではないんですよ!

 

このNaOH+Na2CO3の状況というのは、

 

過剰のNaOHにCO2を入れたときと全く同じ状態です。

 

NaOHが残り、CO2が中和反応をしてNa2CO3になると言う状況です。

 

 

つまり、もうあなたは、最難関の二酸化炭素の逆滴定をマスターしているのです!

 

自信を持って問題を解いて行ってください!

 

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6 件のコメント

  • 学校で重問の二段滴定の解説を受けたのですが、全く理解できずに挫けそうになってました。
    しかし、このブログを見て二段滴定をしっかり理解することができました!重問の問題も炭酸ナトリウムの二段中和を段階を踏んで考えることができました☆本当にありがとうございますm(*_ _)m
    これからもこのブログを活用させていただきながら頑張ります!!

    • ありがとうございます!メチャクチャうれしいです!

      是非どんどん活用していってください!

  • なんで炭酸ナトリウムを使ってCO2の逆滴定になるのかがやっと理解できました!
    本当にありがとうございます!

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