【プロ講師解説】このページでは『中和滴定の一種である二段滴定(仕組みや入試頻出の計算問題の解法など)』について解説しています。解説は高校化学・化学基礎を扱うウェブメディア『化学のグルメ』を通じて6年間大学受験に携わるプロの化学講師が執筆します。
二段滴定とは
2価の酸や塩基には中和点が2コあるということを利用した中和滴定を、二段滴定という。
今回は、比較的簡単な「Na2CO3のHClによる二段滴定」と大学入試で頻出の「Na2CO3とNaOHの混合液のHClによる二段滴定」の2つを例に説明していこう。
炭酸ナトリウムの塩酸による二段滴定
炭酸ナトリウムNa2CO3の塩酸HClによる二段滴定の滴定曲線は次の通り。STARTの位置から順を追って解説していこう。
スタート時
炭酸ナトリウムNa2CO3(弱酸+強塩基から生じる塩)の水溶液は強塩基性なので、pHは12より少し上あたり。
中和点に達する
塩酸HClを滴下すると徐々にpHが低下し、やがて第一中和点に達する。ここまでの段階(第一段階と呼ぶ)では次のような反応が起こっている。
\mathrm{ Na_{2}CO_{3} + HCl → NaHCO_{3} + NaCl }
\]
炭酸ナトリウムNa2CO3は段階的に中和される。つまり、一気に炭酸H2CO3になることはなく、一旦炭酸水素ナトリウムNaHCO3に変化するに留まる。また、強塩基性の水溶液に強酸を加えるので本来中和点はpH=7付近になるはずだが、この滴定の場合(水溶液中で電離して弱塩基性を示す)NaHCO3が生じるので若干塩基性よりのpH=8くらいになる。
さらに塩酸を滴下
さらに塩酸HClを滴下していくと、第二中和点に達する。ここまでの段階(第二段階と呼ぶ)では次のような反応が起こっている。
\mathrm{ NaHCO_{3} + HCl → NaCl + H_{2}CO_{3}(H_{2}O + CO_{2}) }
\]
第二段階では、第一段階で生じたNaHCO3が反応する。このとき生成したH2CO3はすぐにH2OとCO2に分解すること、弱塩基性の水溶液に強酸を加えているので中和点のpHは酸性に偏ることは押さえておこう。
また、第一段階と第二段階の反応式を一度に見ると…
全ての物質の係数が1になっているので、(係数比=mol比であることを考慮すると)1molのNa2CO3を二段滴定する場合、第一段階で1mol、第二段階で1molのHClを消費する。
つまり、第一段階で滴下するHClの量(v1)と第二段階で滴下するHClの量(v2)は等しい。
炭酸ナトリウムと水酸化ナトリウムの混合液の塩酸による二段滴定
次に、大学入試で頻出の「Na2CO3とNaOHの混合液のHClによる二段滴定」について解説していこう。
基本的に炭酸ナトリウムNa2CO3は上で紹介した二段滴定と変わらない反応をする。
第一段階(第1中和点に達するまでの段階)では、炭酸ナトリウムNa2CO3が炭酸水素ナトリウムNaHCO3に変化する。
\mathrm{ Na_{2}CO_{3} + HCl → NaHCO_{3} + NaCl }
\]
第二段階(第2中和点に達するまでの段階)では、炭酸水素ナトリウムNaHCO3が炭酸H2CO3に変化する。
\mathrm{ NaHCO_{3} + HCl → NaCl + H_{2}CO_{3}(H_{2}O + CO_{2}) }
\]
対して、新しく登場した水酸化ナトリウムNaOHは第一段階で次のように反応する。
\mathrm{ NaOH + HCl → NaCl + H_{2}O }
\]
以上より、第一段階、第二段階の反応をまとめると次のようになる。
ちなみに、第一段階の2つの反応は「NaOHとHClの反応」が先に起こる。これは(NaOHが電離して生成する)OH–と(Na2CO3が電離して生成する)CO32-を比較して、OH–の方が(HClが電離して生成する)H+を受け取りやすいからである。つまり、より酸と反応しやすい塩基がNaOHだということ。
以上の事項を滴定曲線で表すと次のようになる。
滴定曲線中において、NaOHの滴定に使用したHClの量はv0、v0とv1を合わせたものをvと表している。第一段階でNa2CO3よりも先にNaOHが反応していること、(「Na2CO3のHClによる二段滴定」で説明したように)v1とv2の量が等しくなっていることを確認しよう。
二段滴定の計算問題
問題
(1)一回目の中和点までに起こる反応の化学反応式を書け。
(2)二回目の中和点までに起こる反応の化学反応式を書け。
(3)最初の時点で混合溶液に含まれる炭酸ナトリウム及び水酸化ナトリウムのモル濃度(mol/L)を、それぞれ求めよ。
(1)
第一段階で起こる反応は次の2つである。
NaOH + HCl → NaCl + H_{2}O \cdots (1)
\]
Na_{2}CO_{3} + HCl → NaHCO_{3} + NaCl \cdots (2)
\]
上で説明したように、2つのうち「NaOHとHClの反応」が先に起こる。これは(NaOHが電離して生成する)OH–と(Na2CO3が電離して生成する)CO32-を比較して、OH–の方が(HClが電離して生成する)H+を受け取りやすいからである。つまり、より酸と反応しやすい塩基がNaOHだということ。
(2)
第二段階では次の反応が起こる。
NaHCO_{3} + HCl → NaCl + H_{2}CO_{3}(H_{2}O + CO_{2}) \cdots (3)
\]
生成したH2CO3はできた後すぐにH2OとCO2に分解する。
(3)
問題文で与えられている数値を上の滴定曲線に当てはめると…
v=30mL \\ v_{2}=10mL
\]
となる。また、v=v0+v1,v1=v2の関係があるため、次のことがわかる。
(2)式で反応した塩酸 \\ v_{1}=v_{2}=10mL \\
(1)式で反応した塩酸 \\ v_{0}=v-v_{1}=30mL-10mL=20mL
\]
混合溶液中のNaOHのモル濃度をc(mol/L)とし、(1)式のNaOHとHClについて中和計算をすると…
\underbrace{c(mol/L)×\frac{ 20 }{ 1000 }(L) }
_{ \text{ NaOHのmol }}
=
\underbrace{0.10(mol/L)×\frac{ 20 }{ 1000 }(L) }
_{ \text{ HClのmol }} \\
↔︎c=0.10(mol/L)
\]
また、混合液中のNa2CO3のモル濃度をc'(mol/L)とし、(2)式のNa2CO3とHClについて中和計算をすると…
\underbrace{c'(mol/L)×\frac{ 20 }{ 1000 }(L) }
_{ Na_{2}CO_{3}\text{のmol }}
=
\underbrace{0.10(mol/L)×\frac{ 10 }{ 1000 }(L) }
_{ \text{ HClのmol }} \\
↔︎c’=0.050(mol/L)
\]
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・化学のグルメ運営代表
・高校化学講師
・薬剤師
・デザイナー/イラストレーター
数百名の個別指導経験あり(過去生徒合格実績:東京大・京都大・東工大・東北大・筑波大・千葉大・早稲田大・慶應義塾大・東京理科大・上智大・明治大など)
2014年よりwebメディア『化学のグルメ』を運営
公式オンラインストアで販売中の理論化学ドリルシリーズ・有機化学ドリル等を執筆
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