高校化学基礎 中和と塩—酸と塩基の量と生成物を反応式で整理する｜武蔵野個別指導塾

酸と塩基の反応量を係数比でそろえ、余った物質と生成した塩の性質から中和後の液性を考えます。

よくあるのは、中和の反応式を書いた高校生が、反応後の溶液は必ず中性だと答える場面です。酸と塩基が反応することと、反応後の溶液の液性が中性であることは、同じ意味ではありません。どちらかが余る場合もあれば、ちょうど反応してできた塩の種類によって液性が変わる場合もあります。反応式で量をそろえ、残ったものと生成物を順に調べると、答えの理由を説明できます。

問われる形を先に見渡す

中和と塩の問題には、まず反応式から生成物を決める型があります。酸の水素イオン H⁺ と塩基の水酸化物イオン OH⁻ が水になることを押さえたうえで、残りの陽イオンと陰イオンを組み合わせ、電荷がつり合う塩の化学式を書きます。係数は原子数を左右で比べて整えます。

次は、酸と塩基の濃度と体積から、ちょうど反応する量や生成する塩の物質量を求める型です。溶液の体積を mL から L に直し、濃度と体積の積で溶質の物質量を求めます。酸と塩基の物質量をそのまま等しくするのではなく、反応式の係数を使うことが分かれ目です。

もう1つは、混合後の液性や塩の分類を説明する型です。まず酸と塩基のどちらが余るかを確認します。どちらも余らないときは生成した塩にも注目します。塩が酸性塩か正塩かという分類と、塩の水溶液が酸性か中性か塩基性かという液性は、別々の問いです。

水ができ、残りが塩になる

中和は、酸と塩基が反応して互いの性質を打ち消し合う反応です。塩酸と水酸化ナトリウムでは塩と水が生じますが、塩化水素とアンモニアの反応のように、水を生じず塩だけができる場合もあります。水溶液中では酸から生じる H⁺ と塩基から生じる OH⁻ が結びつき、H⁺ + OH⁻ → H₂O と表せます。1 mol の H⁺ と 1 mol の OH⁻ が反応して 1 mol の水になります。水溶液中の粒子の様子を簡略化すると、図1のように水になる組と、塩を構成するイオンの組に分けて考えられます。

図1は粒子の模式図です。イオンを実際の大きさや距離で描いたものではありません。水溶液中で塩を構成するイオンが必ず固体の粒として結びついているという意味でもありません。塩酸と水酸化ナトリウムの反応では、Na⁺ と Cl⁻ から塩化ナトリウム NaCl という塩を表し、HCl + NaOH → NaCl + H₂O と書けます。左右で H、Cl、Na、O の原子数はそれぞれ一致します。

酸が中和に出せる H⁺ の数を酸の価数、塩基が中和に出せる OH⁻ の数を塩基の価数といいます。例えば硫酸 H₂SO₄ は2価の酸、水酸化ナトリウム NaOH は1価の塩基です。価数は中和に関わるイオンの数で、酸や塩基の強弱とは別の性質です。強い酸なら必ず2価という関係はありません。

塩の名前や式に含まれる水素は、酸から塩基へ渡せる水素かどうかで見ます。多価の酸の電離できる水素の一部が金属イオンなどに置き換わり、まだ電離できる水素を残した塩は酸性塩です。すべて置き換わったものは正塩と呼びます。例えば炭酸水素ナトリウム NaHCO₃ は酸性塩、炭酸ナトリウム Na₂CO₃ は正塩です。塩基の OH の一部を残す塩は塩基性塩と呼びます。これらの分類名から、水溶液の液性を直接決めることはできません。

ちょうど反応させた後の液性は、生成した塩をつくった酸と塩基の強弱が手がかりです。強酸と強塩基からできた塩の水溶液は中性、強酸と弱塩基からできた塩の水溶液は酸性、弱酸と強塩基からできた塩の水溶液は塩基性を示します。これは塩のイオンが水と関わることで説明できます。弱酸と弱塩基からできた塩は強弱の程度に左右されるため、この3つと同じように一律には決められません。

基本例題：硫酸と水酸化ナトリウム

問題：0.100 mol/L の硫酸 20.0 mL を、水酸化ナトリウム水溶液で過不足なく完全に中和します。水酸化ナトリウムの濃度は 0.200 mol/L とします。必要な水溶液の体積を mL で、生成する硫酸ナトリウムの物質量を mol で、それぞれ有効数字3桁で求めてください。

まず反応式を書きます。硫酸は1 mol あたり中和に関わる H⁺ を2 mol 出し、水酸化ナトリウムは1 mol あたり OH⁻ を1 mol 出します。したがって、硫酸1 mol に水酸化ナトリウム2 mol が必要です。

H₂SO₄ + 2NaOH → Na₂SO₄ + 2H₂O

左右の原子数は H が4、S が1、O が6、Na が2で一致します。図2のように係数比を物質量の比へ移し、求める体積につなぎます。

問題の硫酸の体積を L に直し、濃度を掛けます。

20.0 mL = 0.0200 L

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

反応式の係数は H₂SO₄ : NaOH : Na₂SO₄ = 1 : 2 : 1 です。硫酸 0.00200 mol と過不足なく反応する水酸化ナトリウムは、その2倍です。

NaOH の物質量 = 0.00200 mol × 2 = 0.00400 mol

水溶液の体積 = 0.00400 mol ÷ 0.200 mol/L = 0.0200 L

0.0200 L = 20.0 mL

硫酸ナトリウムは硫酸と1 : 1の比で生成するので、物質量は 0.00200 mol です。答えは水酸化ナトリウム水溶液 20.0 mL、硫酸ナトリウム 0.00200 mol です。

答えを元の場面に戻します。20.0 mL の水酸化ナトリウム水溶液に含まれる NaOH は 0.00400 mol です。この量は硫酸 0.00200 mol の2倍であり、反応式の比に合います。生成した塩 0.00200 mol に含まれる硫酸イオンも、最初の硫酸の物質量に対応します。必要な Na の量は塩1個分に対して2個分で、NaOH の量とも合っています。

濃度を掛ける体積は水溶液全体の体積です。水の体積と読み替えたり、mL の数値を L として掛けたりすると、物質量がずれます。単位を式の中にも書けば、mol/L と L が消えて mol になることを確認できます。

過不足があるときは先に比べる

問題：0.150 mol/L の塩酸 40.0 mL と、0.100 mol/L の水酸化カルシウム水溶液 20.0 mL を混合し、反応が完了したとします。残る酸または塩基の物質量と、生成する塩化カルシウムの物質量を mol で有効数字3桁で求め、混合後の液性を答えてください。水酸化カルシウムは与えられた濃度ですべて溶けているものとします。

反応式と係数比は次のとおりです。CaCl₂ の Ca と Cl の数をそろえるためにも、塩酸の係数は2になります。

2HCl + Ca(OH)₂ → CaCl₂ + 2H₂O

HCl : Ca(OH)₂ : CaCl₂ = 2 : 1 : 1

混ぜる前のそれぞれの物質量を求めます。

HCl = 0.150 mol/L × 0.0400 L = 0.00600 mol

Ca(OH)₂ = 0.100 mol/L × 0.0200 L = 0.00200 mol

Ca(OH)₂ の 0.00200 mol が全部反応するには、2倍の HCl が必要です。必要な HCl は 0.00400 mol なので、手元の 0.00600 mol で足ります。水酸化カルシウムが先になくなり、塩酸が余ります。

残る HCl = 0.00600 mol − 0.00400 mol = 0.00200 mol

生成する CaCl₂ = 0.00200 mol × 1 = 0.00200 mol

答えは塩酸の溶質 HCl が 0.00200 mol、塩化カルシウムが 0.00200 mol で、溶液は酸性です。逆に塩酸が不足する条件なら、塩酸の物質量から反応した水酸化カルシウムを求め、残りを引きます。最初に与えられた2つの mol の大小だけでは、係数が2 : 1なので過不足を判定できません。

元に戻すと、塩 0.00200 mol をつくるのに使った HCl は 0.00400 mol です。残り 0.00200 mol と合わせると最初の 0.00600 mol に戻ります。Ca(OH)₂ は 0.00200 mol すべてが塩に対応し、カルシウムの数も保たれています。H⁺ は反応に 0.00400 mol 分使われ、OH⁻ の 0.00400 mol 分とつり合います。

ちょうど反応する場合と余る場合は、計算の順番で区別します。過不足があるなら、まず余った酸や塩基を確認します。過不足なく反応した場合に、生成した塩の性質を調べます。反応が起こったという言葉だけで、中性と決めないことが大切です。

間違えた答えをどこから直すか

誤答の例は「硫酸と水酸化ナトリウムは同じ mol ずつ反応する」です。原因は、濃度と体積から求めた物質量を、そのまま同じ数にしてしまうことです。図3のように、硫酸1 mol に含まれる中和に関わる H⁺ は2 mol、NaOH 1 mol からの OH⁻ は1 mol と数え直します。H⁺ と OH⁻ が1 : 1で反応するため、物質量の比は硫酸 : NaOH = 1 : 2です。

図3の修正を反応式に戻すと、NaOH の係数2と一致します。公式の形を先に暗記するより、どの粒子の数をそろえる式なのかを書くと、係数を取り違えた場所が見つかります。

別の誤答は「酸性塩の水溶液は必ず酸性」です。原因は、塩の分類名と水溶液の液性を同じ意味で読むことです。酸性塩は電離できる水素を残すという組成による分類です。たとえば炭酸水素ナトリウムは酸性塩ですが、その水溶液は塩基性を示します。分類と液性を別の欄に書き、同じ名前から判断しないように直します。

「中和したから必ず中性」と答えた場合も、まず条件を読み直します。酸と塩基が過不足なく反応したのか、どちらかが余ったのかを確かめます。過不足がなければ生成した塩のもとになった酸と塩基の強弱を調べます。塩化アンモニウムは強酸の塩酸と弱塩基のアンモニアからできる正塩で、その水溶液は酸性です。正塩という分類も中性の保証にはなりません。

練習問題

次の4問は、それぞれ独立した条件です。計算は途中で丸めず、指定された形で答えてください。

1. 0.120 mol/L の硝酸 25.0 mL を、0.150 mol/L の水酸化カリウム水溶液で過不足なく完全に中和します。必要な水溶液の体積を mL で、生成する硝酸カリウムの物質量を mol で、それぞれ有効数字3桁で求めてください。
2. 0.200 mol/L の塩酸 30.0 mL と、0.250 mol/L の水酸化バリウム水溶液 16.0 mL を混合し、反応が完了しました。水酸化バリウムは与えられた濃度ですべて溶けているものとします。残る酸または塩基とその物質量、生成する塩化バリウムの物質量を mol で有効数字3桁で求め、液性を答えてください。
3. リン酸 H₃PO₄ の電離できる3個の水素のうち、1個をナトリウムに置き換えた塩と、3個すべてをナトリウムに置き換えた塩について、各化学式を示し、酸性塩か正塩かをそれぞれ答えてください。各イオンの電荷がつり合うことも説明してください。
4. 酢酸と水酸化カリウムを過不足なく反応させたときにできる酢酸カリウムの水溶液について、酸性・中性・塩基性から1つ選び、もとの酸と塩基の強弱を使って理由を説明してください。酢酸は弱酸、水酸化カリウムは強塩基とします。

答えと解き方

1. 反応式は HNO₃ + KOH → KNO₃ + H₂O です。左右で H は2、N は1、O は4、K は1ずつあり、係数比は 1 : 1 : 1 です。

硝酸の物質量 = 0.120 mol/L × 0.0250 L = 0.00300 mol

必要な KOH = 0.00300 mol

水溶液の体積 = 0.00300 mol ÷ 0.150 mol/L = 0.0200 L = 20.0 mL

生成する KNO₃ は 0.00300 mol です。20.0 mL の水溶液に含まれる KOH は 0.00300 mol で、もとの硝酸と1 : 1になります。硝酸由来のイオンとカリウムイオンも、それぞれ 0.00300 mol 分が塩に入ります。

2. 反応式は 2HCl + Ba(OH)₂ → BaCl₂ + 2H₂O です。H は4、Cl は2、Ba は1、O は2で左右が一致します。

HCl = 0.200 mol/L × 0.0300 L = 0.00600 mol

Ba(OH)₂ = 0.250 mol/L × 0.0160 L = 0.00400 mol

HCl 0.00600 mol と反応する Ba(OH)₂ は、その半分の 0.00300 mol です。最初の 0.00400 mol より少ないため、塩基が余ります。

残る Ba(OH)₂ = 0.00400 mol − 0.00300 mol = 0.00100 mol

生成する BaCl₂ = 0.00300 mol

答えは水酸化バリウム 0.00100 mol、塩化バリウム 0.00300 mol、液性は塩基性です。使った塩基 0.00300 mol と残り 0.00100 mol を足すと、元の 0.00400 mol に戻ります。また塩 0.00300 mol に対応する塩酸はその2倍の 0.00600 mol で、与えられた量に一致します。

3. 1個を置き換えた塩は NaH₂PO₄ で酸性塩、3個を置き換えた塩は Na₃PO₄ で正塩です。前者の陰イオン H₂PO₄⁻ の電荷は -1 で、Na⁺ 1個とつり合います。後者の PO₄³⁻ の電荷は -3 で、Na⁺ 3個とつり合います。水素がそれぞれ2個、0個残ることを元の H₃PO₄ と比べると、置き換えた数を確認できます。分類を答える際には水溶液の液性まで推測しません。

4. 塩基性です。酢酸は弱酸、水酸化カリウムは強塩基なので、過不足なく反応してできた酢酸カリウムの水溶液は塩基性を示します。塩の式は CH₃COOK です。酢酸 CH₃COOH の電離できる水素が K に置き換わったことを戻して確認すると、酢酸イオンと K⁺ の電荷もつり合います。

手元に残す要点

• H⁺ と OH⁻ は 1 : 1 で水になります。
• 酸と塩基の物質量は、反応式の係数比で結びます。
• 過不足を先に判定し、余りがなければ塩の性質を調べます。
• 塩の分類と、その水溶液の液性は別に判断します。

つまずきを見分ける問い

計算を始める前に「硫酸1 mol は中和に関わる H⁺ を何 mol 出すか」「反応式の2は何の比を表すか」を声に出して説明してみてください。数は合っていても、単位を付けた説明が止まるなら、濃度に掛ける体積を L に直すところから確かめます。余りの判定で迷うなら、一方が全部反応するのに必要な他方の量を書き、実際にある量と比較します。

個別指導で答案を見直すときは、係数を書いた行、物質量へ換算した行、過不足を決めた行を指して、それぞれの理由を言えるかを確かめます。分類だけ正解して液性を誤る場合は、塩の式の水素と、もとの酸・塩基の強弱を別々に説明します。反応の量と塩の性質を分けてたどると、中和後の溶液を筋道立てて判断できます。