高校化学基礎 中和滴定と指示薬—中和点付近の液性から終点の見方を選ぶ｜武蔵野個別指導塾

弱酸に強塩基を加える曲線を読み、中和点と色が変わる終点の違いから指示薬を選びます。

よくあるのは、高校生が弱酸と強塩基の中和点を中性に置き、滴定曲線の急な変化を見失う場面です。酸と塩基が反応に必要な割合でちょうど出会うことと、溶液が中性であることは別の話です。指示薬の色が変わったところも、目で見て決める目印として区別します。曲線を左からたどり、どの液を加えたか、何を横軸に取ったかを確かめるところから始めましょう。

曲線を読む問題の入口

定期テストでは、酸に塩基を加えたときの曲線を見て、中和点の前後で液性がどう変わるかを尋ねる型があります。横軸が加えた塩基の体積、縦軸がpHなら、右へ進むほど加えた塩基が増えます。曲線が上がる向きと、酸性から塩基性へ移る向きを対応させます。縦軸の位置から液性を読み、曲線が急に立ち上がる付近を探します。

別の型では、強酸と強塩基、または弱酸と強塩基の組合せから中和点の液性を選びます。酸の強弱は、酸が水中で電離する程度に関わる区別です。強い塩基を加えたからといって、どの酸でも中和点が中性になるとは限りません。弱酸からできた塩が水中で示す性質にも目を向けます。

さらに、与えられた指示薬の変色する範囲と曲線を照らし、終点を中和点に近づける選択を説明する型があります。名前を先に暗記して選ぶより、急変部分と変色範囲が重なるかを読み取る方が、初めて見るグラフにも対応できます。変色範囲の具体的な数値は問題で与えられたものを使い、ここでは数値を固定しません。

反応の節目と色の目印

中和滴定は、濃度などがわかっている酸または塩基の溶液を、相手の溶液に少しずつ加えて反応させる方法です。中和点は、酸が出す水素イオンと塩基が生じる水酸化物イオンが、反応に必要な量の割合でちょうど対応した点です。酸や塩基の価数が異なれば、溶液どうしの物質量が同じとは限りません。反応式の係数を確認して量の対応を考えます。

指示薬は液性によって色が変わる物質です。色の変化はある範囲で起こり、観察者が決めた色の変化を認める点を終点と呼びます。中和点は反応量から決まる節目、終点は観察で判定する目印です。図1のように両者を分けて考えると、色が見えた瞬間を反応量の定義そのものにしてしまう誤りを避けられます。

図1では、終点が中和点の近くに来るよう指示薬を選ぶ関係を示しています。両者が必ず完全に一致するという意味ではありません。加える量が少し変わるだけでpHが大きく変わる部分に指示薬の変色範囲があれば、色が変わるまでに加える液の量と中和点までの量との差を小さくしやすくなります。

強酸に強塩基を加える場合、中和点で主に生じる塩が液性に影響しない組合せでは、中和点は中性です。一方、酢酸のような弱酸に強塩基を加えると、生成した塩に由来するイオンが水と反応し、水酸化物イオンを生じます。そのため中和点の液性は塩基性です。中和が起きたことと、残った溶液が中性であることは同義ではありません。

滴定曲線は、加えた溶液の体積に対するpHの変化を表します。酸に塩基を加える曲線なら、はじめは酸性側にあり、途中でpHが上昇します。中和点付近の急な変化の位置と広がりは、酸と塩基の組合せや濃度によって異なります。図を読むときは曲線の形を模式的な見取り図として捉え、傾きだけで中和点の液性を決めないようにします。

基本例題：弱酸に強塩基を加える

ある一価の弱酸の水溶液20.0 mLに、一価の強塩基の水溶液を加えます。弱酸の濃度は0.100 mol/L、強塩基の濃度は0.100 mol/Lです。中和点までに加える強塩基の体積をmLで小数第1位まで求め、中和点の液性を酸性・中性・塩基性から選んでください。反応は1対1で進み、生成した塩は水中で塩基性を示すものとします。

まず、弱酸の体積をLに直します。20.0 mLは、20.0 ÷ 1000 = 0.0200 Lです。濃度に溶液の体積を掛け、最初の弱酸の物質量を求めます。

弱酸の物質量 = 0.100 mol/L × 0.0200 L = 0.00200 mol

一価どうしで1対1に反応するので、中和点に必要な強塩基の物質量も0.00200 molです。濃度が0.100 mol/Lであることから、必要な体積をLで求めます。

強塩基の体積 = 0.00200 mol ÷ 0.100 mol/L = 0.0200 L

これをmLに直すと、0.0200 × 1000 = 20.0 mLです。したがって答えは20.0 mL、中和点の液性は塩基性です。最後の判断では、反応量がつり合った後に残る塩の性質を使っています。

図2のように、横軸の20.0 mLに対応する中和点は、中性の位置より上にあります。曲線は形を示す模式図で、縦軸の数値や厳密な変化幅を与えるものではありません。中和点の前後では曲線が急に上昇し、塩基を十分に過剰に加えた側では塩基性になります。

答えを元の条件に戻しても確かめます。20.0 mLは0.0200 Lなので、加えた強塩基は0.100 × 0.0200 = 0.00200 molです。最初の弱酸0.00200 molと1対1で対応し、反応量の条件を満たします。水素イオンと水酸化物イオンが反応して水をつくる部分は H⁺ + OH⁻ → H₂O と表せ、原子の数と電荷は左右で一致します。

指示薬を選ぶときは、この曲線に変色範囲を重ねます。変色範囲が中和点付近の急変部分に入るものなら、少量の追加で色が変化し、中和点に近い終点を読みやすくなります。色の名前が見慣れていても、範囲が急変部分から外れていれば、終点が中和点から離れやすいため適切とはいえません。

条件が変わるときの分かれ目

次は、ある一価の強酸15.0 mLに一価の強塩基を加えます。強酸は0.0800 mol/L、強塩基は0.120 mol/Lです。中和点で生成する塩は液性に影響しないものとします。中和点までに加える強塩基の体積をmLで小数第1位まで求め、中和点の液性を選んでください。あわせて、曲線の中性付近を含む急変部分に変色範囲が入る指示薬Aと、そこから酸性側に離れた緩やかな部分で変色する指示薬Bのどちらが適するか答えてください。

酸の体積を0.0150 Lに直すと、酸の物質量は0.0800 × 0.0150 = 0.00120 molです。1対1の反応ですから、塩基も0.00120 mol必要です。塩基の体積は0.00120 ÷ 0.120 = 0.0100 L、つまり10.0 mLです。戻して確かめると、0.120 × 0.0100 = 0.00120 molとなり、酸の量に対応します。

この組合せでは中和点の液性は中性です。先の弱酸の例と同じ図の高さに置くのではなく、生成する塩の性質を問題条件から読み替えます。指示薬はAを選びます。中和点付近の急変部分で変色するため、色の目印を反応量の節目に近づけられるからです。Bでは色が変わっても中和点までに加える量がまだ残り、早く終点と判断するおそれがあります。

急変部分に入るという条件だけでは、終点と中和点が厳密に同じ体積になるとは決められません。範囲の位置や色を判定する基準も関係します。問題が実際の滴定曲線と各指示薬の範囲を示すなら、図上の重なりを見て判断します。情報が不足している場合は、名前だけからこの問題の精度まで断定しないことも読み取りの一部です。

誤答をたどって修正する

誤答の例は「弱酸と強塩基は中和したので、中和点は中性」です。原因は、反応量が対応することと溶液の液性を同じ意味で使ったことにあります。図3のように、まず中和点を量の対応で決め、次に生成した塩の性質から液性を決めます。弱酸と強塩基の組合せでは、塩に由来するイオンが水と反応するため、中和点は塩基性になります。

別の誤答は「色が変わった点が中和点なので、どの指示薬でも同じ体積になる」です。原因は、観察の目印を反応上の節目と取り違えたことです。修正するときは、それぞれを終点と中和点と書き分け、変色範囲が曲線の急変部分に重なるかを調べます。色が変わる範囲が離れていれば、終点の体積もずれる可能性があります。

また、酸に塩基を加える曲線を見て「右へ行くほど酸が増える」と読む誤りもあります。横軸が示すのは加えた塩基の体積です。酸を加える別の設定では向きが変わるため、曲線を暗記する前に、フラスコ内の試料と加える液をそれぞれ書き出します。グラフの軸に単位や物質名がないときは、本文の条件に戻って補います。

練習：節目を自分で判定する

次の4問はそれぞれ独立しています。必要な液性と反応の条件は各問の指定に従ってください。計算は途中で丸めず、指定の形で答えます。

1. 一価の弱酸30.0 mLに一価の強塩基を加えます。濃度は弱酸が0.0600 mol/L、強塩基が0.0900 mol/Lで、1対1で反応します。生成する塩は水中で塩基性を示します。中和点までに加える塩基の体積をmLで小数第1位まで求め、中和点の液性を選んでください。
2. 一価の強酸25.0 mLに一価の強塩基を加えます。酸は0.120 mol/L、塩基は0.150 mol/Lで、1対1で反応し、生成する塩は液性に影響しません。中和点までの塩基の体積をmLで小数第1位まで求め、中和点の液性を選んでください。
3. ある滴定曲線では、中和点付近に急変部分があります。指示薬Cの変色範囲はこの急変部分に入り、指示薬Dの変色範囲は中和点より塩基性側の緩やかな部分にあります。終点を中和点に近づけるために適するものを1つ選び、「変色範囲」「急変部分」の2語を使って理由を述べてください。
4. 酸性の試料に塩基を加える滴定で、指示薬の色が変わり始めた位置を観察しました。この観察上の目印と、反応量がちょうど対応する節目をそれぞれ何と呼ぶか答え、両者が必ず一致するかどうかも記してください。

答えと考え方

1. 弱酸は0.0300 L × 0.0600 mol/L = 0.00180 molです。必要な塩基も0.00180 molなので、0.00180 ÷ 0.0900 = 0.0200 L = 20.0 mLです。中和点は塩基性です。20.0 mLを戻すと0.0900 × 0.0200 = 0.00180 molとなり、弱酸と1対1で対応します。液性は量の一致だけでなく、問題で与えられた塩の性質から判断します。
2. 強酸は0.0250 L × 0.120 mol/L = 0.00300 molです。必要な塩基は同量ですから、0.00300 ÷ 0.150 = 0.0200 L = 20.0 mLです。中和点は中性です。逆に0.150 × 0.0200 = 0.00300 molで、最初の酸の量に戻ります。両問で体積の答えが同じでも、酸の強弱と塩の性質が違うため液性を同じにすることはできません。
3. Cです。Cの変色範囲が中和点付近の急変部分に入るため、少量の追加で色が変化し、終点を中和点に近づけやすいからです。Dを選ぶと、中和点を過ぎてから色が変わるため、塩基を多く加えた位置を終点と見なすおそれがあります。
4. 色の変化を観察して決める目印は終点、反応量がちょうど対応する節目は中和点です。両者は必ずしも一致しません。指示薬の変色する範囲と曲線との位置関係で、観察上の終点は中和点からずれることがあります。

問題を解いた後は、選んだ指示薬を曲線上に置き直してみます。変色が中和点より前に起きる場合と後に起きる場合では、どちら向きに加える体積を見誤るかが逆になります。酸に塩基を加える場合、前なら少なく、後なら多く見積もる方向です。ここまで言えれば、選択肢の記号だけでなく、その選択が測定に与える影響まで説明できます。

手元に残す要点

• 中和点は酸と塩基の反応量が対応する点です。
• 終点は指示薬の色で観察して決める点です。
• 弱酸と強塩基の中和点は塩基性になります。
• 指示薬は中和点付近の急変部分と変色範囲を照らして選びます。

どこで判断が止まるか

曲線の途中に印を付けてもらい、その点が何を表すかを言葉にすると、つまずきの場所が見えてきます。中和点を中性の高さに固定しているなら、弱酸から生じた塩の性質を説明できるかを確認します。色の変化をそのまま中和点と呼ぶなら、終点を別の印で示し、2つが近いほど何を読み取りやすいかを考えます。

個別指導では、まず酸と塩基のどちらを加えるか、軸が何を示すかを本人の言葉で確かめます。その上で、反応量の対応、生成した塩による液性、変色範囲の位置を順に問い、選択の根拠を図へ戻します。計算で止まるときは、mLからLへの変換と1対1の対応を別々に書き、答えの体積から物質量を戻します。色の目印を反応の節目に近づける判断が、中和滴定の指示薬選びを支えます。