塩酸と水酸化ナトリウム水溶液を混ぜると、食塩と水ができます。しかし、混ぜた液から水分などを取り除いて残った固体が、いつも食塩だけとは限りません。水酸化ナトリウムが余れば、それも固体として残ります。中学入試の中和のグラフでは、「できた食塩」と「残った固体全体」を別の量として読むことが出発点です。
ここでは一定量の塩酸へ、濃さが一定の水酸化ナトリウム水溶液を加える向きで考えます。薬品を扱う実験の手順ではなく、与えられた結果を読む計算問題です。家庭で薬品を加熱・混合して確かめる必要はありません。
ちょうど中和する前と後で、中身が変わる
加えるアルカリが少ない間は、その水酸化ナトリウムは反応に使われ、塩酸が余ります。蒸発後の固体を考える模型では、余った塩酸の成分は固体として数えず、できた食塩を数えます。加える量を増やすほど、反応してできる食塩も増えます。
ちょうど中和した点では、酸とアルカリが互いに余りません。それよりアルカリを加えても、もともとの塩酸は使い切っているので、食塩は増えなくなります。しかし加えた水酸化ナトリウムは余ります。したがって固体全体の質量は、その後も増えることがあります。
「反応が終わったからグラフは横ばい」と答えたくなる場面ですが、横軸と縦軸をもう一度読んでください。縦軸が食塩だけなら横ばい、食塩と余ったアルカリを合わせた固体なら増加です。同じ混合操作でも、何を量ったかで線の形は変わります。
折れ曲がりの両側を別々に読む
濃さが変わらず、同じ量の液に同じ量の溶質が入っているなら、それぞれの区間では比例関係を使えます。ただし二つの区間を、原点から延ばした一本の直線として扱ってはいけません。中和後は「すでにできている食塩の質量」に「あとから余った分」を足す形です。
たとえばちょうど中和する液量が20mLなら、30mL加えたときに余るアルカリは、30mL全部ではなく、差の10mLに含まれる分です。先に反応した20mLを二度数えてしまうのが、残留固体の計算で起きやすい誤りです。全量の欄と超過量の欄を分けて書くと整理できます。
例題1：固体を二つに分ける
一定量の塩酸は、ある水酸化ナトリウム水溶液20mLとちょうど中和し、食塩1.17gができます。このアルカリ水溶液10mLだけを蒸発させると、水酸化ナトリウム0.40gが残ります。同じ塩酸へアルカリ水溶液を10mL、30mL加えたとき、蒸発後の固体はそれぞれ何gですか。副反応や飛散はないものとします。
答え・解説： 10mLでは中和に必要な量の半分なので、食塩は1.17÷2＝0.585gです。加えたアルカリは使い切り、固体はこれだけです。30mLでは20mL分が反応して食塩1.17gを作り、残り10mL分のアルカリ0.40gが余ります。合計は1.57gです。1.17×30÷20とはしません。
例題2：固体の質量から加えた量へ戻る
例題1と同じ条件で、アルカリ水溶液を20mLより多く加えました。蒸発後の固体が1.77gだったとき、加えたアルカリ水溶液の体積を求めましょう。
答え・解説： 食塩は最大の1.17gで一定です。余った水酸化ナトリウムは1.77−1.17＝0.60g。10mLあたり0.40gなので、余った分に相当する体積は10×0.60÷0.40＝15mLです。反応に使った20mLを戻して、全体は35mLになります。15mLは途中の答えであり、加えた全量ではありません。
指示薬の色とは別の情報
中和が起こることと、混合後の液が中性であることも区別します。酸が余っている途中でも、中和反応そのものは進んでいます。「酸性だから中和していない」という言い方では、途中までできた食塩を説明できません。指示薬は液に残る性質を調べる情報、固体の質量は成分を合計した情報として使い分けます。
なお、塩酸をアルカリ側へ加える順番の問題では、最初から水酸化ナトリウムがあり、グラフの出発点も変わります。他の酸やアルカリに置き換えた問題では、できる物質や蒸発後の扱いも同じとは限りません。「中和のグラフはこの形」と覚えるより、始めの物質、反応した分、余った分の三つを毎回確かめる方が応用できます。
グラフの縦軸がゼロから始まっているかも見てください。途中を省いた目盛りでは、線が急に見えても質量の増加が大きいとは限りません。二点の縦の差を横の差で割り、10mL増やすと何g増えるかに直します。中和点前後でこの値を別々に計算すると、線の見た目に頼らず、成分の変化を説明できます。