高校受験の理科 酸とアルカリ—指示薬とイオンの対応から水溶液を判別する｜武蔵野個別指導塾

指示薬の色とpHの並びから、濃度との違いも踏まえて判別する酸とアルカリです。

よくあるのは、中学生が「濃い水溶液なら必ず酸性が強い」と答える場面です。濃いという言葉に目を奪われると、何が水に溶けているかを見落とします。アルカリ性の水溶液でも濃さを表せますし、濃いからといって酸性になるわけではありません。色や数値から性質を判定する道筋を、順番にたどってみましょう。

問題の手がかりを分ける

出方の1つは、リトマス紙や指示薬の色から酸性、中性、アルカリ性を判別する型です。元の色と変化後の色の両方を確かめます。赤色のリトマス紙が赤色のままだという結果だけでは、酸性と中性のどちらかを決められません。もう一方の紙の結果を合わせることが必要です。

別の型では、pHの数値を並べて酸性やアルカリ性の強弱を比較します。数値が大きいほど酸性が強いと読んでしまうと、順序が逆になります。どちら側を比べているかを先に区別しましょう。さらに、溶けた物質が生じるイオンから水溶液の性質を説明する問題もあります。記号を覚えるだけでなく、電荷と物質名の対応を確かめます。

濃度は水溶液に含まれる溶質の割合を表す言葉です。pHは酸性やアルカリ性の程度を表す別の尺度です。濃度の数字だけを見て液性を決めることはできません。問題の条件が足りない場合には、決められることと決められないことを分けて答えます。

判定の問題では、試薬を加えた後の色だけでなく、どの試薬を用いたかも重要です。同じ青色でも、青色リトマス紙が変化しなかった結果と、BTB溶液が青色になった結果では意味が違います。前者は中性とアルカリ性の候補が残り、後者はアルカリ性を示します。観察した色に試薬の名前を添えて整理すると、異なる実験の結果を取り違えずに済みます。

色と粒子をつなぐ

酸性を示す水溶液には水素イオン H⁺ があり、アルカリ性を示す水溶液には水酸化物イオン OH⁻ があります。H⁺ の右上の記号は正の電荷、OH⁻ の右上の記号は負の電荷を示します。OH⁻ は酸素原子と水素原子からなる1個のイオンです。H⁺ と OH⁻ の記号の向きや符号を取り違えないようにしましょう。

水に溶けた酸が電離して水素イオンを生じると、酸性の性質が現れます。例えば塩酸には水素イオンと塩化物イオンが含まれます。一方、水に溶けた水酸化ナトリウムはナトリウムイオンと水酸化物イオンに分かれ、アルカリ性を示します。溶けた物質の名前と、性質に関係するイオンの名前は同じとは限りません。

図1のように、青色リトマス紙は酸性で赤色に、赤色リトマス紙はアルカリ性で青色に変わります。中性ではどちらも色が変わりません。酸性で赤色の紙が赤色のままなのも、アルカリ性で青色の紙が青色のままなのも、元の色が保たれた結果です。変化したかどうかと、最後に何色かを区別します。

BTB溶液では酸性が黄色、中性が緑色、アルカリ性が青色です。フェノールフタレイン溶液は酸性と中性で無色、アルカリ性で赤色になります。無色という結果から酸性と中性を区別することはできません。別の指示薬やpHの結果があれば、候補をさらに絞れます。

pHは7が中性で、7より小さいと酸性、7より大きいとアルカリ性です。酸性側では小さいほど酸性が強く、アルカリ性側では大きいほどアルカリ性が強いと読みます。pHの差から濃度の比を計算する必要はありません。また、異なる物質の水溶液を比べるときは、溶質の割合が大きいという事実だけでpHの順序を決めないようにします。

色の組合せから候補を絞る

次の例題は、判定の順番をたどるための自作問題です。液体に何を溶かしたかは知らせず、観察結果だけを与えます。答えは液性の名前と、根拠となる色を文章で書きます。

例題：水溶液A、B、Cに別々のリトマス紙を使いました。Aは青色の紙が赤色になり、赤色の紙は赤色のままでした。Bは青色の紙が青色のまま、赤色の紙が青色になりました。Cは青色の紙が青色のまま、赤色の紙が赤色のままでした。それぞれの液性を判定し、BTB溶液を加えたときの色も答えなさい。

図2のように、まず変化した紙を探します。Aでは青色から赤色への変化があるため、酸性です。赤色の紙が赤色のままであることも酸性の結果と合っています。BTB溶液は酸性で黄色になるので、Aの答えは酸性、黄色です。

次にBを見ると、赤色から青色への変化があります。したがってBはアルカリ性です。青色の紙が青色のままという結果も矛盾しません。アルカリ性のBTB溶液は青色なので、Bの答えはアルカリ性、青色です。

Cでは両方の紙が元の色のままです。与えられた3つの液性の対応から、中性と判定します。中性のBTB溶液は緑色です。答えを観察結果に戻すと、中性なら青色の紙は青色、赤色の紙は赤色のままですから、Cの2つの結果と一致します。

判定後には、答えを逆向きに使って観察結果を再現できるか確かめます。Aを酸性と答えたなら、青色の紙が赤色に変化するはずです。Bをアルカリ性と答えたなら、赤色の紙が青色に変化するはずです。片方の結果だけを先に見て決めた場合も、残りの結果と食い違わないか確認できます。

片方の紙の結果しかない場合は注意が必要です。例えば青色の紙が青色のままだと、酸性ではないと判断できますが、中性とアルカリ性は区別できません。赤色の紙の結果を求めるか、別の指示薬の結果を使います。足りない情報を想像で補わず、候補を残しておくことも解答の一部です。

pHと濃さが同時に出たら

少し難しい例題：水溶液D、E、FのpHはそれぞれ3、5、9です。別に、DとFについて、溶質の質量を水溶液の質量で割った割合は、Dが2%、Fが8%と与えられています。各水溶液の液性を答え、酸性のもののうち酸性が強い方を選びなさい。また、Fの方が濃いことを理由にFが酸性だといえるか、理由を添えて答えなさい。数値はこの問題の条件です。

まずpHを7と比べます。Dの3とEの5は7より小さいので酸性です。Fの9は7より大きいのでアルカリ性です。酸性同士のDとEを比べると、3は5より小さいため、酸性が強いのはDです。Fは酸性の候補に入れず、アルカリ性として扱います。

DとFの割合は、2%より8%が大きいので、与えられた意味ではFの方が濃いといえます。しかし、それは溶質の質量の割合の比較です。FのpHは9と与えられているため、Fはアルカリ性です。濃いという情報から酸性とはいえません。確認として各答えを条件に戻すと、酸性としたD、Eの値はともに7未満で、アルカリ性としたFの値は7を超えています。

ここでの分かれ目は、何を比較する問いかです。溶質の割合なら百分率を比べ、液性ならpHを7と比べ、酸性の強弱なら酸性側のpHを比べます。単位や記号が違う数字を一列に並べて大小を決めても、問いには答えられません。pHが与えられていない水溶液について、別の物質の濃度だけから液性や強弱を推測することもできません。

水でうすめる操作が問題に出た場合は、同じ水溶液についての変化なのか、異なる溶質の水溶液どうしの比較なのかを読み分けます。酸性の水溶液を水でうすめると酸性は弱まり、pHは中性の7に近づきます。アルカリ性でも、うすめるとアルカリ性は弱まり、pHは7に近づきます。うすめたという言葉だけで、必ず反対の液性へ変わると考えてはいけません。

間違いを手がかりに直す

誤答例は「pH 3よりpH 5の方が数字が大きいので酸性が強い」です。原因は、数値の大小と酸性の強弱が同じ向きだと思い込むことにあります。図3のように、まず7を境に液性を区切り、酸性側では小さい値へ進むほど酸性が強いとたどります。例題の3と5をこの順に置き直せば、3のDがより強い酸性です。

別の誤答は「赤色リトマス紙が赤色のままなので酸性に決まる」です。赤色のままという結果は中性でも起こります。青色の紙が赤色になったかを追加で確かめ、変化したなら酸性、どちらも変化しなければ中性と整理します。結果が1つしかない場合には、酸性または中性と候補を残します。

「酸性なら水溶液中のイオンはH⁺だけ」という答えも、塩酸を例にすると修正できます。塩酸にはH⁺のほかに塩化物イオン Cl⁻ があります。H⁺は酸性の性質に関係するイオンですが、それ以外のイオンが存在しないという意味ではありません。イオン式を読む際は、元素の記号と電荷の符号を別々に指さして確かめます。

練習問題

以下は自作の問題です。色は中学校で扱う指示薬の標準的な変化を使います。複数の結果があるときは、それぞれが答えに合うかまで確かめてください。

1. 水溶液Gに青色リトマス紙を入れると赤色になりました。赤色リトマス紙は赤色のままでした。液性と、BTB溶液を加えたときの色を答えなさい。
2. 水溶液Hは青色リトマス紙を青色のままにしました。赤色リトマス紙の結果はありません。液性の候補をすべて答え、候補を区別するための赤色リトマス紙の結果をそれぞれ書きなさい。
3. 水溶液J、K、LのpHは順に2、6、11です。液性をそれぞれ答え、酸性の2つのうち酸性が強い方を記号で答えなさい。
4. 水溶液Mはフェノールフタレイン溶液を加えると無色でした。液性の候補を答え、BTB溶液を加えた結果が緑色だった場合の液性を答えなさい。
5. ある水酸化ナトリウム水溶液に含まれる、アルカリ性の性質に関係するイオンの名前とイオン式を答えなさい。その水溶液を水でうすめたとき、pHは7に近づくか、7から遠ざかるかも答えなさい。

練習の答えと確かめ

1. Gは酸性で、BTB溶液は黄色です。青色の紙が赤色に変わったことが酸性の手がかりです。酸性なら赤色の紙は赤色のままで、もう一方の観察結果にも合います。黄色も酸性に対応するため、両方を元の条件へ戻せます。

2. 候補は中性とアルカリ性です。中性なら赤色の紙は赤色のまま、アルカリ性なら青色に変わります。酸性なら青色の紙が赤色に変わるはずなので、Gとは異なりHの結果には合いません。候補の2つを青色の紙に戻すと、いずれも青色のままで、与えられた結果を満たします。

3. JとKは酸性、Lはアルカリ性です。2と6は7未満、11は7を超えるからです。酸性が強いのはpHが小さいJです。答えを戻すと、Jの2はKの6より小さく、両方とも酸性側にあります。Lを酸性同士の比較に混ぜないことも確認できます。

4. 無色の段階では酸性と中性が候補です。BTB溶液が緑色なら中性です。中性の水溶液に戻して考えると、フェノールフタレイン溶液は無色、BTB溶液は緑色となり、両方の条件に合います。最初の無色だけから中性に決めることはできません。

5. 水酸化物イオン、OH⁻ です。pHは7に近づきます。水酸化ナトリウム水溶液はアルカリ性なので、うすめて性質が弱まると、7より大きい側から7に近づきます。答えを元の条件に戻すと、OH⁻ はアルカリ性に関係し、変化の方向もアルカリ性を弱める向きと一致します。

覚えておくこと

酸性はH⁺、アルカリ性はOH⁻ と対応します。 リトマス紙は元の色と変化後の色を合わせて読みます。 pHは7を境に、酸性側では小さいほど酸性が強くなります。 濃度の大小だけでは、異なる水溶液の液性を決められません。

考えが止まる場所を見つける

お子さまが色を覚えていても、変化しない結果の扱いで迷うことがあります。青色の紙が変わらなかった場合に候補を2つ挙げられるか、図1を指しながら確かめてみましょう。答えが1つに絞れなければ、どの観察を追加すればよいかを言葉にします。

個別指導では、pHを見たときに7との比較を書いてから強弱へ進めるか、途中の判断を確かめます。濃度の数字を根拠に選んだ場合は、その数字が何の割合を表すかを問い直します。イオン式ではOH⁻ をひとかたまりとして読み、符号まで説明できるかを見ます。色、pH、イオンを同じ答えへつなぐと、判別の理由が見えるようになります。