高校化学基礎 中和滴定の器具操作—洗い方と目盛りの読み方を理由から選ぶ｜武蔵野個別指導塾

器具に残る水と試料が物質量に及ぼす影響を比べ、共洗いの要否とビュレットの読みの差を求める理由を整理します。

よくあるのは、三角フラスコを試料溶液で共洗いしてから、ホールピペットで量り取った試料を入れる場面です。フラスコの内側に試料が残ることまで考えると、量り取った分以外の試料が加わったと気づけます。器具の名前を覚えるだけでなく、その器具で濃度を守るのか、決まった量を受け取るのかを確かめましょう。

問題文で探す操作の目的

定期テストでは、まず器具と用途を結びつける問題があります。一定体積を正確に移すホールピペット、加えた体積を目盛りの差で求めるビュレット、溶液全体を決まった体積にするメスフラスコ、反応させる液を受ける三角フラスコを見分けます。どれも液体を入れる器具ですが、目盛りの役割は同じではありません。

次に、洗い方を選び、理由まで説明する型があります。水が残れば中の溶液が薄まる器具と、水が残っていても量り取った溶質の量が変わらない器具を分けます。共洗いは、洗浄後にその器具に入れる溶液の少量で内側をすすぐ操作です。汚れを落とす洗浄と、残った水による濃度変化を避ける共洗いは目的が異なります。

もう1つは、滴定前後の目盛りから流出量を求め、操作の誤りが結果にどう影響するかを判断する型です。ビュレットの目盛りは上から下へ大きくなります。液面の位置を読んだ後で引き算する順番を決め、試料や滴定液の量がどう変わったかをたどります。計算の前に操作の意味を言葉にすると、数字の大小を逆にしにくくなります。

4種類の器具が受け持つ量

図1のように、ビュレットは滴定液を少しずつ加え、その流出体積を測ります。ホールピペットは標線まで取った一定体積の試料を移します。メスフラスコは溶質を含む液を標線まで水で薄め、決まった体積の溶液を作ります。三角フラスコはピペットから受けた試料と滴定液を混ぜる容器です。

図1のように、ビュレットとホールピペットは、それぞれ中に入れる溶液で共洗いします。洗浄後の水が内側に残ると、それから入れる滴定液や試料が薄まってしまうためです。ビュレットの先端に残る水や気泡にも注意します。滴定液が先端まで満たされていなければ、目盛りの変化の一部は先端を満たすために使われ、フラスコに入った量と一致しません。

メスフラスコは水で洗いますが、調製する溶液で共洗いしません。標線は、溶質と水を含む溶液全体の体積を決めるための印です。内部に水が残っていても、最後に標線まで合わせれば全体の体積に含まれます。一方、完成した溶液で内側をすすぐことは、調製前の操作として考えると量が余分に加わるおそれがあります。

三角フラスコも水で洗い、試料溶液では共洗いしません。内側に少量の水が残っていても、受け取った試料中の酸や塩基の物質量は変わりません。水が加わることで濃度は変わりますが、中和に必要な相手の物質量は変わらないためです。反対に試料で共洗いすると、壁に残る試料がピペットで量り取った分に加わり、必要な滴定液の量が増えます。

操作の順序も答案の手がかりです。ビュレットは共洗いしてから滴定液を入れ、先端まで液を満たして最初の目盛りを読みます。ホールピペットで試料を移すときは、標線を目の高さで合わせ、容器に決められた方法で流出させます。器具の外側に付いた液が余分に入らないよう、問題で示された操作を区別して読みます。

液面がへこんで見える無色の水溶液では、器具を鉛直にして、目の高さを液面に合わせ、メニスカスと呼ぶ液面のくぼみの最下部を読みます。斜め上や斜め下から見ると、目盛りと液面の重なりがずれます。色が濃くて最下部が見えない場合などの扱いは、問題や実験の指示に従います。ピペットは安全ピペッターなどを使い、口で吸いません。

基本例題: 目盛りの差と共洗い

【問題】ある酸性の試料をホールピペットで一定量取り、三角フラスコへ移しました。ビュレットには塩基性の滴定液を入れ、滴定前の目盛りは 0.40 mL、滴定後は 18.70 mL でした。ビュレットと三角フラスコは水洗い済みです。ビュレットを何で共洗いするか、三角フラスコを試料で共洗いするかを理由とともに答え、滴定液の流出体積を小数第2位まで mL で求めてください。読み取り以外の操作は適切で、先端には滴定液が満たされています。

図2のように、後の読みから前の読みを引きます。最初の読みが 0.00 mL である必要はなく、2つの読みの差が流出体積です。

滴定後の読み 18.70 mL − 滴定前の読み 0.40 mL

= 18.30 mL

単位はどちらも mL ですから、差も mL です。確かめると 0.40 mL + 18.30 mL = 18.70 mL となり、出発点から滴定後の目盛りへ戻れます。数字をそのまま滴定後の読みとするのではなく、前後の位置を対応させます。

ビュレットは、これから入れる塩基性の滴定液で共洗いします。水が残ると滴定液が薄まって、目盛りから見積もる濃度と実際の濃度が食い違うからです。三角フラスコは試料で共洗いしません。共洗いした液が壁に残れば、ピペットで決めた量より多くの試料が反応に参加するからです。水洗い後の少量の水は、試料の物質量を増やしません。

読み方にも理由があります。ビュレットは下向きに数字が増えるので、滴定が進むと通常は後の読みが大きくなります。目盛りの読みが前より小さくなったときは、引き算の符号を無理に変える前に、器具の向きや読み間違い、途中の補充がないかを確認します。この問題には補充がないため、与えられた2つの値をそのまま比較できます。

少し難しい例題: 水と試料が残った場合

【問題】濃度が一定の塩酸をホールピペットで 20.0 mL 取り、水酸化ナトリウム水溶液で滴定します。正しく操作すると、ある条件の終点まで滴定液を 16.0 mL 要しました。次のア、イでは、それぞれほかの条件と終点の判定は正しいとします。アは三角フラスコの内側に少量の水が残っていました。イは三角フラスコを塩酸で共洗いし、内側に 2.0 mL の塩酸が残っていました。各場合に要する滴定液の体積を小数第1位まで mL で求め、理由を説明してください。イの残液はピペットの 20.0 mL と同じ濃度とし、混合による損失はないものとします。

アでは水が残っても、量り取った塩酸の物質量は変わりません。したがって、同じ濃度の滴定液を 16.0 mL 要します。水を入れたために濃度が下がることと、酸の物質量が減ることは別です。水で薄くなっても酸そのものが消えるわけではありません。

イでは反応する塩酸は、量り取った分と壁に残った分を合わせます。

20.0 mL + 2.0 mL = 22.0 mL

塩酸の濃度が同じなら、酸の物質量は体積に比例します。塩酸と水酸化ナトリウムは 1 対 1 で中和するので、同じ濃度の滴定液の必要体積も比例します。

16.0 mL × 22.0 / 20.0 = 17.6 mL

戻して確かめると、滴定液 17.6 mL のうち、塩酸 20.0 mL に対応するのは 16.0 mL、残りの 1.6 mL は塩酸 2.0 mL に対応します。2.0 mL は 20.0 mL の 10 分の 1 で、1.6 mL も 16.0 mL の 10 分の 1 です。イの答えは余分な塩酸の分を含んでいます。

分かれ目は、残っているものが水か、反応する試料かです。現実には壁に残った量がわからないことも多く、そのとき数値を勝手に決めて補正はできません。操作の誤りに気づいたら、その測定値を正確な結果として扱わず、実験の指示に従ってやり直す必要があります。

誤答を量の変化から直す

図3のように、「水が残ると必ず酸の物質量が減る」という答えは、濃度と物質量の混同から生じます。水が増えると液全体の体積は増えますが、すでに移した酸の粒子の量は変わりません。まず何が加わったかを書き、次に反応する物質の量が変化したかを判断します。

図3のように、三角フラスコに試料が残った場合は酸の量が増えます。「試料と同じ液だから影響しない」という誤答は、濃度が同じことと量が同じことを取り違えています。濃度が同じでも、加わる体積があれば物質量は増えます。水の残留と試料の残留を並べ、増えるものの名前を区別しましょう。

別の誤りは、メスフラスコで水だけを標線まで入れ、その後に溶質を加えることです。標線が表すのは水の体積ではなく、完成した溶液全体の体積です。溶質を溶かしてから水を加え、最後に液面を標線に合わせます。標線を越えた場合は水を抜くだけでは元の濃度に戻せません。溶質も一緒に取り除かれるため、指示に従って初めから調製し直します。

ホールピペットの先端に残る液を無理に吹き出すという誤答にも注意します。通常のホールピペットは、所定の方法で流出させた量を移すように作られています。先端に残った液まで加えると、表示された体積より多く移すおそれがあります。器具ごとの指示がある場合はその指示に従います。

練習問題

次の4問は、それぞれ独立した条件です。計算の答えは指定された桁で示し、記述は理由を添えてください。

1. 酸性の試料を量り取るホールピペットを水洗いしたところ、内側に水が残りました。試料を正しい濃度で量り取る前に何で共洗いするか答え、その理由を説明してください。
2. ビュレットの滴定前の読みが 1.25 mL、滴定後の読みが 24.80 mL でした。途中で補充はなく先端は満たされていました。流出体積を小数第2位まで mL で求めてください。
3. 一定濃度の酸 25.0 mL を三角フラスコに移し、一定濃度の塩基で滴定すると 30.0 mL を要しました。別の測定で、同じ酸がフラスコ内に 5.0 mL 残ったまま、ピペットで 25.0 mL を加えました。他の条件は同じで損失はないとします。必要な塩基の体積を小数第1位まで mL で求めてください。
4. メスフラスコで溶液を調製するとき、標線を越えるまで水を入れました。液を少し捨てて液面を標線に合わせれば、予定した濃度になるという考えの誤りを、溶質と溶液の語を使って説明してください。

練習の答えと考え方

1. 量り取る酸性の試料で共洗いします。残った水が試料を薄めると、表示体積を移しても、本来の濃度から計算した物質量を移せないからです。共洗い後に改めて試料を標線まで取り、決められた体積を移します。水が残らない状態なら試料の濃度が保たれ、元の条件に対応します。

2. 24.80 mL − 1.25 mL = 23.55 mL です。戻すと 1.25 mL + 23.55 mL = 24.80 mL です。後の読みを流出量とする誤りを避け、最初の位置からの変化を取ります。どちらの読みも同じ目盛りの尺度です。

3. 酸は 25.0 mL + 5.0 mL = 30.0 mL 分あります。同じ濃度なので酸の物質量は体積に比例し、必要な塩基も比例します。30.0 mL × 30.0 / 25.0 = 36.0 mL です。酸の追加分 5.0 mL は元の 25.0 mL の 5 分の 1 で、追加の塩基 6.0 mL も元の 30.0 mL の 5 分の 1 です。この対応で与えた条件に戻せます。

4. 捨てる液は水だけではなく溶質を含む溶液です。液面を標線に戻しても、初めに量り取った溶質の一部が失われています。そのため、予定した溶質の量を予定した溶液の体積にする条件を満たしません。溶質を量り直して調製し直します。

手元に残す要点

ビュレットとホールピペットは、それぞれ入れる溶液で共洗いします。 メスフラスコと三角フラスコは水洗いし、溶液で共洗いしません。 三角フラスコの残水は試料の物質量を変えず、試料の残液は増やします。 ビュレットの流出量は、後の読みから前の読みを引きます。

説明が止まったときの見分け方

共洗いの要否を覚えていても理由が出てこないときは、器具に残るものを水と試料に分けて書きます。次に、その器具が濃度を保って液を渡す場所か、決まった量を受け取る場所かを指でたどります。目盛りで迷うときは、数値が増える向きと液面の最下部を図に書き込み、滴定前から滴定後への移動を言葉にします。

個別指導で確かめるなら、同じ三角フラスコについて水が残る場合と試料が残る場合を続けて説明し、反応する物質量が変わるかを尋ねます。さらにビュレットの読みの差を足し戻せるか、メスフラスコの標線が何の体積を示すかを確かめます。器具の役割と残液の中身を結べば、操作の理由を自分の言葉で判断できます。