【中学受験理科】水溶液の性質と中和を図解で総まとめ—酸性 アルカリ性 指示薬 中和の計算 気体の発生｜武蔵野個別指導塾

指示薬の色と水溶液の見分け方を整理し、中和に必要な量を比例の表と図で確かめます。金属と酸から出る気体、混ぜた後の液性まで、例題4問と練習4問で考え方をたどれます。

よくあるのは、修学旅行前の教室で理科のプリントを見直し、「塩酸も食塩水も透明なのに、どうして別のものだとわかるの」と手が止まる場面です。見た目だけで名前を決めようとすると、水溶液の問題は当てものになってしまいます。ところが、指示薬の色、金属を入れたときの変化、完全に中和するまでに必要な量を順に調べると、見えない違いを実験の結果から説明できます。

難しく感じやすいのは、「酸性のものとアルカリ性のものを混ぜる」という操作と、「ちょうど中性になる」という結果を同じだと思ってしまうところです。同じ体積を混ぜればよいとは限りません。どちらが、どのくらい反応するのかを分けて考えることが出発点です。

お子さまと確かめるときも、最初から名前を答えさせる必要はありません。「この結果で言えることは何か」「まだ区別できないものはどれか」と尋ねると、知識と計算がつながります。水溶液の性質を、観察と根拠の組み合わせで読み解いていきましょう。

この単元で身につけること

• 水溶液の見た目と液性を分けます。透明であることと無色であることは別で、無色透明でも酸性・中性・アルカリ性の水溶液があります。
• 指示薬の色を根拠に分類します。リトマス紙、BTB液、フェノールフタレイン液について、色が変わる場合だけでなく、変わらない場合の意味も確かめます。
• 中和で起きる変化を説明します。酸とアルカリが互いの性質を打ち消す反応と、過不足なく反応し終わった状態を区別します。
• 完全中和に必要な量を比例で求めます。水溶液の組み合わせと濃さが同じなら、対応する体積の比を使って計算できます。
• 金属と酸の反応を読み取ります。気体の名前だけでなく、金属や酸が残る条件、蒸発後の物質が元の金属と違うことまで考えます。

これまでに学んだ「ものは水に溶けてもなくならない」という考え方が、この単元の土台になります。ただし、溶ける前と同じ物質が水中にある場合と、反応して別の物質になった場合は、同じように扱えません。食塩が水に溶ける場合と、鉄が塩酸と反応する場合を対比すると、その違いが見えてきます。

基本の考え方

水溶液の名前は一つの観察だけで決めません

水溶液は、ものが水に均一に溶けた液体です。しばらく置いても、溶けたものが底に沈んで分かれるわけではありません。また、透明とは光が通って向こうが見えることです。色がついていても透明な水溶液はあり、透明を「色がない」と言い換えると間違います。

この単元では、塩酸、食塩水、炭酸水、アンモニア水、石灰水、水酸化ナトリウム水溶液などが登場します。これらは見た目が似ていても、溶けているものや液性が異なります。塩酸は塩化水素という気体が水に溶けたもの、炭酸水は二酸化炭素が水に溶けたものです。アンモニア水にも気体のアンモニアが溶けています。「水溶液に溶けているものは、すべて固体」という考えは直しておきましょう。

液性は酸性・中性・アルカリ性の3つに分類します。塩酸、炭酸水、食酢は酸性です。食塩水、砂糖水は中性です。アンモニア水、石灰水、水酸化ナトリウム水溶液はアルカリ性です。ここでいう中性は、酸性でもアルカリ性でもないという意味で、何も溶けていないという意味ではありません。

水を蒸発させた後に何が残るかも、見分ける手がかりです。食塩水からは食塩が残りますが、炭酸水では溶けていた二酸化炭素も外へ出るので、純粋な水と二酸化炭素だけでできた炭酸水なら固体は残りません。実験問題では、余計な成分のない試料として読むことが基本です。市販の飲料は別の成分を含む場合があり、そのまま同じ結論を当てはめることはできません。

ただし、正体のわからない液体をなめたり、容器に鼻を近づけたりしてはいけません。薬品を加熱する操作や金属と酸を反応させる操作は、家庭で試す内容にはしません。学校などで先生の指示のもと、保護眼鏡を使って扱う実験として、ここでは結果の読み方を学びます。

指示薬は名前ではなく液性を示します

指示薬は、液性によって色が変わるものです。青色リトマス紙が赤色になれば酸性、赤色リトマス紙が青色になればアルカリ性と判断できます。中性では、青色と赤色のどちらのリトマス紙も元の色のままです。

注意したいのは、赤色リトマス紙だけを酸性の水溶液につけても、赤色のままだということです。中性につけても赤色のままなので、この観察だけでは酸性と中性を区別できません。「変化しなかった」という結果には、複数の可能性が残ることがあります。

BTB液は、酸性で黄色、中性で緑色、アルカリ性で青色になります。フェノールフタレイン液は、酸性と中性では無色、アルカリ性では赤色になります。フェノールフタレイン液が無色だったという結果だけで、中性だと決めてはいけません。色の濃淡ではなく、まず問題文で与えられた色の分類を使いましょう。

図1のように、指示薬ごとの結果を縦に並べると、同じ結果になる範囲が見えます。図の文字は、実験で観察する色の名前を表しており、図そのものの塗り色を答えるものではありません。

図1でフェノールフタレインの行を見ると、酸性と中性の欄はどちらも無色です。一方、BTBの行では3つを分けられます。それでも、BTB液が黄色になった液体を塩酸と断定することはできません。炭酸水も黄色になるからです。液性の判定と物質名の決定には、必要な証拠の数に違いがあります。

指示薬を使う実験では、少量ずつ別の容器に取り分けた試料を調べます。一度使った試料を元の容器へ戻すと、指示薬や別の水溶液が混ざり、後の結果を変えてしまいます。同じ試料に次々と別の薬品を加えた結果と、元の水溶液を別々に調べた結果は、区別して読みましょう。

中和と、ちょうど中性になる点を区別します

酸とアルカリが反応して互いの性質を打ち消し合うことを中和といいます。ここからの計算では、塩酸と水酸化ナトリウム水溶液の組み合わせを扱います。この組み合わせでは、中和によって水と塩化ナトリウムができます。塩化ナトリウムは食塩の成分で、反応後も水に溶けています。

中和でできる物質のうち、水以外のものを塩と呼び、「えん」と読みます。塩は食塩だけを指す言葉ではありません。塩化ナトリウムは塩の一種です。「塩酸を混ぜたから塩が残る」と名前の似方で覚えず、酸とアルカリが反応して新しい物質ができたと捉えます。

この2種類を混ぜたとき、酸が余れば全体は酸性、アルカリが余ればアルカリ性になります。互いが過不足なく反応する状態を完全中和と呼び、塩酸と水酸化ナトリウム水溶液の完全中和後は中性になります。どんな酸とアルカリの組み合わせでも、できた塩の水溶液が必ず中性になると広げて覚える必要はありません。まずは、今扱っている組み合わせの条件を押さえます。

中和が起きたことと、完全中和したことは同じではありません。塩酸が多く残って酸性でも、加えたアルカリの分だけ中和は進んでいます。また、中和では熱が発生しますが、塩酸と水酸化ナトリウム水溶液の反応そのものから気体が発生するわけではありません。泡が出ることを中和の目印にはできません。

例題で解き方を確かめる

例題1　観察結果から水溶液を見分ける

A、B、Cは、塩酸、食塩水、水酸化ナトリウム水溶液のいずれかで、同じものはありません。それぞれを別々に取り分けて調べたところ、Aは青色リトマス紙を赤色に変えました。Bは赤色・青色のリトマス紙をどちらも変えず、Cはフェノールフタレイン液を赤色にしました。A、B、Cの名前を答えましょう。

1. まず、物質名を使わずに液性を書きます。Aは酸性、Bは中性、Cはアルカリ性です。観察から直接判断できるところを先に決めるためです。
2. 次に、問題文の候補を液性で分けます。塩酸は酸性、食塩水は中性、水酸化ナトリウム水溶液はアルカリ性なので、今回の候補では1つずつ対応します。
3. 最後に、各物質を1回ずつ使っているか確認します。同じものはないという条件を満たすことで、観察結果と候補の両方に合った答えになります。

答え：Aは塩酸、Bは食塩水、Cは水酸化ナトリウム水溶液です。

この問題でAを塩酸と決められるのは、酸性の候補が塩酸だけだからです。候補に炭酸水もあれば、同じ観察だけでは区別できません。名前を答える問題ほど、「候補が何種類あるか」を先に確認する習慣が役立ちます。

例題2　完全中和の表から比例を読む

ある濃さの塩酸と、ある濃さの水酸化ナトリウム水溶液を使います。それぞれの濃さは実験中に変えません。完全中和するときの体積を調べると、次の表になりました。塩酸30 cm3を完全中和するには、水酸化ナトリウム水溶液が何cm3必要でしょうか。

1. 対応する体積の増え方を見ます。塩酸が10 cm3から20 cm3へ2倍になると、必要なアルカリも15 cm3から30 cm3へ2倍です。同じ濃さどうしなので、反応する量の組がそのまま増えます。
2. 10 cm3の塩酸を基準にします。30 ÷ 10 = 3なので、塩酸30 cm3は基準の3組分と考えられます。
3. 必要なアルカリも3組分にします。15 × 3 = 45で、45 cm3です。求めた量を塩酸との比に戻すと、30：45 = 2：3となり、10：15と一致します。

答え：水酸化ナトリウム水溶液は45 cm3必要です。

図2のように、横軸を塩酸、縦軸を完全中和に必要な水酸化ナトリウム水溶液の体積にすると、対応する点は原点を通る直線上に並びます。図中の縦軸の「アルカリ」は、例題で使う同じ濃さの水酸化ナトリウム水溶液を表します。

図2は、混ぜた後の液性そのものを表すグラフではありません。「この塩酸の量なら、完全中和にいくら必要か」を読むグラフです。直線の傾きが違う問題では、対応する体積の比も違います。2：3という数だけを次の問題に持ち込まず、その問題の表や実験結果から比を作り直します。

例題3　加えすぎた分と、残る性質を求める

例題2と同じ濃さの塩酸20 cm3に、同じ水酸化ナトリウム水溶液を40 cm3加えました。反応後の液性と、完全中和するために追加すべき塩酸の体積を求めましょう。体積の計算では、指示薬の量は考えないものとします。

1. 最初の塩酸20 cm3に必要なアルカリの量を確認します。表より30 cm3です。実際に入れた40 cm3と比較するための基準になります。
2. 加えたアルカリのうち、反応に必要な量を引きます。40 − 30 = 10なので、元の水酸化ナトリウム水溶液10 cm3分に含まれるアルカリが余っています。液性はアルカリ性です。
3. 余った10 cm3分を反応させる塩酸の量に換算します。塩酸とアルカリは2：3なので、10 × 2 ÷ 3 = 20/3です。追加する塩酸は20/3 cm3、つまり6と2/3 cm3です。
4. 全体の対応を確認します。塩酸の合計は20 + 20/3 = 80/3 cm3となり、これに必要なアルカリは80/3 × 3 ÷ 2 = 40 cm3です。最初に加えた量と一致するので、過不足なく反応します。

答え：反応後はアルカリ性で、塩酸を6と2/3 cm3追加すると完全中和します。

ここで「10 cm3余る」は、液体の中に10 cm3だけの層ができるという意味ではありません。中和に使われなかったアルカリの量を、混ぜる前の水溶液の体積で表しています。液体全体には、水やできた塩も含まれています。水溶液の体積と、未反応の物質の量を言葉で区別できると、この先の計算が安定します。

例題4　鉄と塩酸の反応を説明する

先生が鉄を十分な量のうすい塩酸と反応させると、気体が発生して鉄がすべて見えなくなりました。その後の液体の一部から、適切な設備と手順で水分などを除くと固体が残りました。発生した気体の名前を答え、残った固体を元の鉄と考えてはいけない理由を説明しましょう。

1. 反応させた組み合わせを確かめます。鉄と塩酸の反応で発生する気体は水素です。気体が出たという事実だけでなく、使った金属と水溶液の種類を根拠にします。
2. 鉄が見えなくなった理由を考えます。食塩を水に溶かしたときと違い、鉄は塩酸と反応して別の物質になり、水溶液中に移っています。
3. 反応前後の物質を区別して記述します。残るのは鉄を成分として含む塩であって、元の金属の鉄ではありません。乾かすだけで反応前の金属に戻るとは考えられないからです。

答え：気体は水素で、鉄が塩酸と反応して別の物質になったため、残った固体は元の鉄ではありません。

鉄やアルミニウムはうすい塩酸と反応して水素を発生させますが、銅は通常の条件ではうすい塩酸と反応して水素を発生させません。「金属ならどれも同じ」と広げないことが大切です。また、石灰石と塩酸の反応で出るのは二酸化炭素です。石灰石は金属ではなく、泡の見た目が似ていても同じ気体とは限りません。

水素は燃えやすいため、発生している場所に火を近づける実験を家庭で行ってはいけません。気体の確認方法を問う問題でも、実際の操作と、紙の上で結果を判断することは分けて学びます。

つまずきやすいところと直し方

誤り1　同じ体積なら中性になると思ってしまう

誤った書き方は「塩酸20 cm3と水酸化ナトリウム水溶液20 cm3を混ぜたので中性」です。どこが違うかというと、同じ体積でも、その中に含まれる反応する物質の量が対応しているとは限らない点です。水溶液の名前と体積だけでは、完全中和の条件は決まりません。

正しい書き方は「この問題では塩酸20 cm3にアルカリ30 cm3が必要なので、20 cm3だけ加えると酸性」です。塩酸20 cm3に加えるアルカリの量を変えた図3を見ると、完全中和する量を境に液性が変わることを整理できます。

図3では、塩酸はどれも20 cm3で、例題2と同じ濃さの組み合わせです。水酸化ナトリウム水溶液が15 cm3なら酸性、30 cm3なら中性、45 cm3ならアルカリ性になります。容器内の灰色は色の変化を表すものではありません。体積を足し合わせられるとしたときの液量を示し、液性は下のラベルで表しています。

誤り2　中和したら何も残らないと思ってしまう

誤った書き方は「酸とアルカリの性質が消えたので、中には水しかない」です。どこが違うかというと、性質が打ち消されたことを、物質そのものが消滅したことと取り違えています。塩酸と水酸化ナトリウム水溶液が完全中和した後には、水だけでなく塩化ナトリウムが存在します。

正しい書き方は「完全中和した液体は中性で、塩化ナトリウムが水に溶けている」です。中性の液体というだけでは、純粋な水か、食塩水かを決められません。中和の前後で何ができたかを考える問題では、指示薬の結果に加えて、反応による物質の変化も説明します。

水を加えてうすめることと、中和することも違います。水を加えるだけでは、酸と反応するアルカリを加えたことにはなりません。元の塩酸の全量に含まれる酸の量は変わらないので、それを完全中和するのに必要な同じ濃さのアルカリの量も変わりません。

誤り3　気体が止まったら金属が全部なくなったと決める

誤った書き方は「泡が出なくなったので、金属はすべて反応した」です。どこが違うかというと、反応に必要な酸が先になくなった可能性を考えていません。問題で反応が十分に進んだものとすると、金属が使い切られる場合と、酸が使い切られて金属が残る場合の両方があります。

正しい書き方は「反応が止まった理由は、残った金属の有無や、加えた酸の量と合わせて判断する」です。金属が残っていれば、最初から入れた金属の全量を使って気体の量を計算することはできません。反応した分だけに注目します。

なお、アルミニウムは塩酸だけでなく水酸化ナトリウム水溶液とも反応して水素を発生させます。したがって、「水素が出たから必ず酸性」とする見分け方は成り立ちません。知っている反応を使うときほど、どの物質の組み合わせだったかを確かめましょう。

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練習問題

練習1　無色という結果から言えること

ある水溶液にフェノールフタレイン液を加えても無色のままでした。この結果だけで中性といえますか。また、別に取り分けた同じ水溶液にBTB液を加えると黄色になりました。液性を答えましょう。

練習2　表の対応を使う計算

ある塩酸12 cm3を完全中和するのに、ある水酸化ナトリウム水溶液18 cm3が必要です。両方の濃さを変えずに、塩酸28 cm3を完全中和するとき、必要な水酸化ナトリウム水溶液の体積を求めましょう。

練習3　水を加えた場合の完全中和

練習2と同じ塩酸12 cm3に水を24 cm3加え、その全量を使います。これを完全中和するために必要な、練習2と同じ濃さの水酸化ナトリウム水溶液の体積を求めましょう。また、最初に10 cm3だけ加えたときの液性と、完全中和までに追加する量も答えましょう。

練習4　反応した鉄の量と気体

次の値は、この問題で同じ条件のもと測定したものです。鉄0.5 gが塩酸とすべて反応すると、水素200 cm3が発生しました。鉄1.5 gに十分な量の同じ塩酸を加えてすべて反応させると、水素は何cm3発生しますか。また、鉄1.5 gを入れても水素が400 cm3で止まり、鉄が残った場合、反応した鉄と残った鉄はそれぞれ何gですか。反応は十分に進み、気体の体積を測る温度などの条件は同じとします。

答えと解説

練習1の答え：最初の結果だけでは中性とはいえず、BTB液の結果から酸性とわかります。フェノールフタレイン液は酸性でも中性でも無色です。2つ目の観察によって、残っていた可能性を一つに絞れます。

練習2の答え：42 cm3です。塩酸1 cm3に対応する量は18 ÷ 12 = 1.5 cm3なので、28 × 1.5 = 42です。28 − 12 = 16を求め、18にそのまま16を足す方法では、対応する比を保てません。体積の差ではなく、何倍かを使います。

練習3の答え：必要な全量は18 cm3、10 cm3を加えた時点では酸性で、さらに8 cm3必要です。加えた水は酸の量を増やしません。うすめた後の液体の体積を塩酸の元の体積の代わりに使わず、元の塩酸12 cm3分に対応させます。18 − 10 = 8で追加量が求まります。

練習4の答え：すべて反応すれば600 cm3、400 cm3で止まった場合に反応した鉄は1.0 g、残った鉄は0.5 gです。前半は1.5 ÷ 0.5 = 3より、200 × 3 = 600です。後半は400 ÷ 200 = 2より、0.5 × 2 = 1.0 gが反応したので、1.5 − 1.0 = 0.5 gが残ります。ここでは酸が使い切られたため、残った鉄が反応できなかったと考えます。

次の単元へのつながりと家庭での確かめ方

この単元の比例は、気体の発生量や金属の燃焼にもつながります。出発点はいつも「何と何が過不足なく反応するか」です。全部の量を機械的に計算へ入れる前に、反応できる量と余る量を分ける考え方が、表の途中から値が増えなくなる問題にも役立ちます。

家庭では、保護者が付き添い、薬品を使わずに各5分ほどで確かめられます。1つ目は、紙に「酸性・中性・アルカリ性」の欄を作り、指示薬の色を書いた小さな紙を置く方法です。フェノールフタレインの「無色」をどこに置くか、1か所では足りない理由まで尋ねます。色名の暗記を、判断できる範囲の理解に変えられます。

2つ目は、塩酸10 cm3を表す紙を2枚、アルカリ15 cm3を表す紙を3枚用意する方法です。1枚ずつを完全中和する組として並べると、アルカリの紙が1枚残ります。余った1枚は液体全体の体積ではなく、反応しなかったアルカリの量を表すと説明してもらいましょう。紙の見た目の大きさと、水溶液の体積を混同しないことも確認できます。

個別指導で式が立たない場合は、まず表の1組を言葉で読めるかまで戻って確かめます。指示薬の問題で迷う場合は、色名を増やして覚える前に、「変わらなかったとき、何がまだ候補に残るか」を整理します。

まとめ

透明な液体の名前は、目で眺めただけでは決まりません。それでも、指示薬の結果を候補と照らし合わせ、反応する量を表に置くと、見えない中身を筋道立てて考えられます。答えの物質名や数値の隣に、その判断を支えた観察や対応する量を一つ添えてみましょう。間違えたときも、知識を直すのか、比例の組を直すのかが見つかります。

中和の答えを決めるのは、混ぜた体積の見た目ではなく、過不足なく反応する量の対応です。