【中3理科】中和と塩・体積や質量の計算

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イオンに関する分野の最後の学習内容が「中和と塩」です。酸とアルカリの水溶液を混ぜるとどんな反応が起こるのか見ていきましょう。

中和とは

塩酸のような酸性の水溶液と、水酸化ナトリウムのようなアルカリ性の水溶液を混ぜると、お互いの性質を打ち消し合う反応である中和が起こります

このとき酸性の水溶液中にある水素イオンH⁺と、アルカリ性の水溶液中にある水酸化物イオンOH⁻が結びつきH₂Oが生じます。また、それ以外の酸の陰イオンアルカリの陽イオンが結びつき塩(えん)が同時に生じます。

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中和の反応式

  • 水素イオン+水酸化物イオン→水
    H⁺+OH⁻H₂O

もっと詳しく見てみると、

  • 酸の水溶液+アルカリの水溶液→水+塩
    H⁺+A⁻+B⁺+OH⁻H₂OAB

できる塩は、混ぜ合わせる酸とアルカリの種類によって変わります。次は代表的な中和の反応を見ていきます。

塩酸と水酸化ナトリウムの中和

酸性の塩酸とアルカリ性の水酸化ナトリウム水溶液を混ぜると次のような反応が起こり、水と塩ができます。

  • 塩酸+水酸化ナトリウム水溶液→水+塩化ナトリウム
    HCl+NaOH→H₂O+NaCl

この反応をもっと詳しくみてみると、

  • 塩酸+水酸化ナトリウム水溶液→水+塩化ナトリウム水溶液
    H⁺+Cl⁻+Na⁺+OH⁻H₂ONa⁺+Cl⁻

塩酸も水酸化ナトリウム水溶液もどちらも水溶液です。なので電離している状態です。中和反応が起こった後も生じた塩の水溶液になっているので、ナトリウムイオンNa⁺と塩化物イオンCl⁻が水溶液中にあります。

つまり、Na⁺とCl⁻は反応前後で変化していませんので、中和自体の反応は

  • 水素イオン+水酸化物イオン→水
    H⁺+OH⁻→H₂O

になります。

硫酸と水酸化バリウム水溶液の中和

酸性の硫酸とアルカリ性の水酸化バリウム水溶液を混ぜると次のような反応が起こり、水と塩ができます。

  • 硫酸+水酸化バリウム水溶液→水+硫酸バリウム
    H₂SO₄+Ba(OH)₂→2H₂O+BaSO₄

このときできる硫酸バリウムという塩は水に溶けにくい塩ですので、白い沈殿になります
この反応をもう少し詳しくみてみると、

  • 硫酸+水酸化バリウム水溶液→水+硫酸バリウム
    2H⁺+SO₄²⁻+Ba²⁺+2OH⁻2H₂O+BaSO₄

硫酸バリウムは水に溶けにくい塩です。中和が起こった後は、電離して水に溶けている状態ではなく、むずびついて白い物質として沈殿します。硫酸と水酸化バリウム水溶液を完全に中和させると、水溶液中にはイオンがまったく存在しない状態になります。つまり、電流が流れなくなることも覚えておきましょう。

酸性・中性・アルカリ性を調べる指示薬

中和では、どこで酸性から中性に変わったか。中性からアルカリ性に変わったかを調べる実験を行いますので、BTB溶液やフェノールフタレイン液などの色の変化を覚えておかなくてはなりません。下の記事を参考にしてください。
参考中学理科の試薬・指示薬のまとめ

中和とイオンの数

酸とアルカリの中和の実験では、イオン数の変化を聞いてくる問題もあります。水素イオンH⁺や水酸化物イオンOH⁻の数がどのように変化するのか見ていきましょう。

塩酸に水酸化ナトリウム水溶液を混ぜる

塩酸と水酸化ナトリウム水溶液の中和

  • 水素イオンH⁺…減少し中性になったところで無くなる。
  • 水酸化物イオンOH⁻…中性になるまで増えない。中性以降は増加する。
  • 塩化物イオンCl⁻…変化しない。
  • ナトリウムイオンNa⁺…だんだん増えていく。

水酸化ナトリウム水溶液に塩酸を混ぜる

水酸化ナトリウム水溶液と塩酸の中和

  • 水素イオンH⁺…中性になるまで増えない。中性以降は増加する。
  • 水酸化物イオンOH⁻…減少し中性になったところで無くなる。
  • 塩化物イオンCl⁻…だんだん増えていく。
  • ナトリウムイオンNa⁺…変化しない。

【練習問題】中和の計算

問題下の図1のように、ビーカー内のうすい硫酸20cm³に、こまごめピペットを使ってうすい水酸化バリウム水溶液を入れる実験を行った。図2は、加えたうすい水酸化バリウム水溶液の体積と、うすい硫酸とうすい水酸化バリウム水溶液の中和でできた白い物質の質量の変化を表したグラフである。これについて、次の各問いに答えよ。

(1)うすい硫酸と、うすい水酸化バリウム水溶液を混ぜると、白い沈殿が生じる。この沈殿は何という物質か。物質の名称を答えよ。

(2)うすい硫酸と、うすい水酸化バリウム水溶液の中和を表す化学反応式を書け。

(3)実験に使ったうすい硫酸20cm³と、うすい水酸化バリウム水溶液50cm³を混ぜたとき、生じる白い物質の質量は何gか。

(4)実験で、うすい塩酸20cm³と、水酸化バリウム水溶液40cm³を混ぜると、水溶液に電流が流れなくなった。この理由を簡潔に答えよ。

(5)実験に使ったうすい硫酸40cm³を完全に中和するには、水酸化バリウム水溶液は何cm³必要か。

【解答・解説】中和の計算

(1)硫酸バリウム
硫酸と水酸化バリウム水溶液の中和でできる塩は、硫酸バリウムになります。硫酸バリウムは水に溶けにくい塩なので、白い沈殿になってビーカーのそこの方にたまります。

硫酸と水酸化バリウムの中和硫酸+水酸化バリウム→水+硫酸バリウム
硫酸バリウムは水に溶けにくい塩なので、白い沈殿になる!

(2)H₂SO₄+Ba(OH)₂→BaSO₄+2H₂O
硫酸の化学式H₂SO₄は、水酸化バリウムBa(OH)₂の化学式は、塩の硫酸バリウムBaSO₄の化学式になります。中和では、酸のH⁺とアルカリのOH⁻が反応し、水H₂Oができます。

(3)1.2g
グラフより、うすい硫酸20cm³と水酸化バリウム水溶液40cm³が過不足なく反応することがわかります。うすい硫酸は20cm³しかないので、水酸化バリウム水溶液を50cm³混ぜても、できる硫酸バリウムは1.2gで変わりません。

(4)水溶液中にイオンが無くなったから。
硫酸と水酸化バリウム水溶液の中和でできる塩、硫酸バリウムは水に溶けにくい塩で沈殿します。水に溶けないのでイオンとして水溶液中に存在しないので、完全に中和しているときにイオンがまったくない状態になります。したがって、電流は流れません。

完全中和と電流・塩酸と水酸化ナトリウムの完全中和→電流は流れる!
水溶液中にNa⁺とCl⁻が存在するから。
・硫酸と水酸化バリウムの完全中和→電流は流れない!
水溶液中にイオンが全くないから。Ba²⁺とSO₄²⁻が結び付いてBaSO₄として沈殿する。

(5)80cm³
グラフから、うすい硫酸20cm³と、水酸化バリウム水溶液40cm³が過不足なく反応していることがわかります。うすい硫酸の量が2倍の40cm³になったので、必要な水酸化バリウム水溶液も2倍の80cm³必要になります。

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