塩酸と水酸化ナトリウム水溶液を混ぜると、温度が上がることがあります。では、塩酸を多く入れれば、温度の上がり方も必ず大きくなるでしょうか。中和できる相手が残っているか、そして生じた熱を何gの液体が受け取るか。この二段階を分けて考えます。
熱が多く発生することと、温度が高くなることは同じではありません。同じ熱でも、温める液体の量が多ければ温度上昇は小さくなります。中和の量の問題と、熱の配分の問題が一つになっているのが、この実験の面白いところです。
まず反応する量を決める
ここでは同じ濃さの酸AとアルカリBが、同じ体積ずつでちょうど中和する模型を使います。Aを20mL、Bを30mL混ぜたら、中和に使われるのはA20mLとB20mLです。Bの残り10mLは中和の熱を新たに出しません。ただし、残った液体も温められる側には含まれます。
各液体の密度は1g/mL、比熱は1gを1℃上げるのに4Jとします。初めの温度は同じで、容器が受け取る熱や外へ逃げる熱は無視します。AとBが1mLずつ中和するごとに40Jを出す、という計算用の条件です。実際の濃度を指定しないまま使える普遍的な数値ではありません。
例題1 同じ体積を混ぜる
A20mLとB20mLを混ぜました。発生する熱と、混ぜた液体全体の温度上昇を求めてください。
答え・解説： 熱は800J、温度上昇は5℃です。中和する組は20組なので20×40＝800J。液体全体は40gで、1℃上げるのに40×4＝160J必要です。800÷160＝5となります。反応した体積を20＋20＝40として40×40を計算すると、1mLずつの組を二重に数えることになります。
余った液体も、熱を受け取る
発熱量の計算では、中和しない分を除きました。しかし温度の計算では、混ぜた液体の全量を使います。反応しない分だけ室温のまま別に残るわけではないからです。「余るから計算に入れない」という一つの言い方で、全ての計算を済ませないでください。何を求める場面かで、その液体の役割が変わります。
例題2 酸を余分に加えた場合
同じ模型でA40mLとB20mLを混ぜます。発熱量は例題1の何倍ですか。温度は何℃上がりますか。また、A40mLとB40mLならどうなりますか。
答え・解説： A40mLとB20mLでは、発熱量は同じ800Jで1倍です。Bが20mLしかないので中和する組は20組。全量60gを温めるため、800÷（60×4）＝10/3℃、約3.33℃上がります。A40mLとB40mLなら40組で1600Jですが、全量も80gに増えるので1600÷（80×4）＝5℃。熱が二倍でも温度上昇は同じです。
一番高い温度を見つけるときの条件
同じ濃さの二液を、合計体積を一定にして割合だけ変えるなら、この模型では同じ体積ずつのときに中和する組が最も多くなります。しかも温める全量は同じです。そこで温度上昇も最大になります。ところが、合計体積をそろえず比較すると、発熱量だけから温度の大小を決められません。表の列を見て、全量が固定されているか確認しましょう。
実際の測定では、液体を混ぜた後も周囲へ熱が逃げます。最高温度を読むタイミングが違えば、同じ条件でも記録は変わります。容器の種類や液体の初めの温度もそろえる必要があります。例題はそれらを無視した模型なので、実測値が少し低いから直ちに中和量の計算が誤りとは限りません。
ノートには「中和した組数」「出た熱」「温める全質量」の三行を作ると整理できます。酸が余るという化学の判断が、熱の計算でどこに効き、どこには効かないのか。その区別ができると、複数の単元がつながった問題にも対応できます。
初めの温度が違うときは切り分ける
酸が冷たく、アルカリが温かい場合は、混ぜるだけでも温度が変わります。観測した上昇分を全て中和の熱とみなすことはできません。同じ比熱なら、反応がないと仮定した混合後の温度を質量に応じて考え、その基準から反応による変化を分ける必要があります。今回、初めの温度を同じと指定したのは、その余分な要因をなくすためです。
温度計の最高値だけが載る選択問題では、初めの温度の列も見ます。温度上昇は最後から初めを引いた差であり、最高温度そのものではありません。初めから温かい試料が高い最終温度になっても、多くの熱を出した証拠にはなりません。測定前の温度を揃える操作は、見比べる数字の意味を揃える操作でもあります。
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