高校受験の理科 中和と塩—残るイオンと水の生成を分けて量の関係を読む｜武蔵野個別指導塾

塩酸と水酸化ナトリウム水溶液を混ぜ、余るイオンから液性を判定し、中性になった後も電流が流れる理由をたどります。

よくあるのは、中学生が「中和が起きた」と聞いて、混ぜた液は必ず中性になると考える場面です。酸とアルカリを混ぜると水が生じますが、片方を多く加えれば、その性質を示すイオンが残ります。何が反応し、何が水溶液に残るかを分けて追うと、液性も蒸発後の固体も判断しやすくなります。

要点（結論から）

• 中和では H⁺ と OH⁻ が結びついて水になります。
• 液性は、反応後に H⁺ と OH⁻ のどちらが余るかで見ます。
• 塩酸と水酸化ナトリウム水溶液からは塩化ナトリウムができます。

混ぜる量から問われること

問題の型の1つは、酸にアルカリを少しずつ加え、中性になる量と、それより前後の液性を答えるものです。加えた量をそのまま答えにせず、中性になる量と比べます。反応が始まったかどうかと、中性になったかどうかは別の問いです。

もう1つは、混合後の水溶液に残る粒子や、蒸発させた後の固体を問う型です。水が生じても、元の水溶液にあったイオンが消えてなくなるわけではありません。どの酸とアルカリを使ったかを確認して、反応に直接かかわらないイオンも追います。

さらに、液が電流を流すかどうかを判断する問題があります。中性という言葉だけから電流が流れないと決めることはできません。水溶液中に動けるイオンが残っているかを根拠に考えます。量を扱うときは、異なる濃さの液を同じ体積で比べられるとは限らないので、問題の条件を先に読みます。

水になる粒子と残る粒子

酸の水溶液には水素イオン H⁺ があり、アルカリの水溶液には水酸化物イオン OH⁻ があります。この2種類が結びついて水 H₂O ができる反応を中和といいます。H⁺ 1個と OH⁻ 1個を合わせると、左側も右側も水素原子が2個、酸素原子が1個です。電荷も正と負が打ち消し合い、電気を帯びない水になります。

塩酸と水酸化ナトリウム水溶液を混ぜる場合、塩酸には H⁺ と塩化物イオン Cl⁻、水酸化ナトリウム水溶液にはナトリウムイオン Na⁺ と OH⁻ があります。図1のように H⁺ と OH⁻ は水になり、Na⁺ と Cl⁻ は水溶液中に残ります。粒子図は種類の関係を示しており、実際の水溶液にある粒子の総数や配置を表したものではありません。

酸の陰イオンとアルカリの陽イオンからできる物質を塩といいます。この組合せでは塩化ナトリウムが塩です。水溶液を蒸発させて十分に水を取り除くと、塩化ナトリウムの固体が残ります。ここでいう塩は食塩に限らない分類名ですが、生成物は混ぜる水溶液の組合せによって変わります。

液性は、混合後に H⁺ と OH⁻ のどちらが余るかで考えます。H⁺ が余れば酸性、OH⁻ が余ればアルカリ性です。ちょうど過不足なく反応した点は、この塩酸と水酸化ナトリウム水溶液の組合せでは中性です。中和は水を生じる反応の名前で、中性は液性を表す言葉です。中性になった液にも Na⁺ と Cl⁻ があるため、電流は流れます。

イオンの帳簿をつける

粒子を追うときは、混ぜる前、反応中、混ぜた後の3つに分けると整理できます。混ぜる前にはそれぞれの液にどのイオンがあるかを書きます。反応中は H⁺ と OH⁻ を1組ずつ水に変え、混ぜた後には組になれず余ったものと、反応に直接使われなかったものを書き残します。

たとえば説明用の粒子模型で H⁺ が5個、OH⁻ が3個あるとします。3組が反応して水の粒子が3個でき、H⁺ が2個余ります。これは酸性側の模型です。水ができた事実と H⁺ が余った事実は同時に成り立ちます。模型の個数は関係を考えるためのもので、実際の水溶液中の粒子数を測定した値ではありません。

反対に OH⁻ の方が多い模型では、H⁺ がなくなった後に OH⁻ が残ります。両者の数がちょうど対応する模型では、どちらも余りません。ただし、液に含まれる他のイオンも消したことにはならないので、塩酸と水酸化ナトリウム水溶液の模型なら Na⁺ と Cl⁻ は別に記録します。電流や蒸発後の固体を尋ねられたとき、この記録が役立ちます。

体積の比を粒子の量の比として扱えるのは、同じ水溶液を同じ濃さのまま使う場合です。たとえば水を加えて薄めれば、同じ体積に含まれるイオンの量は変わります。条件にない濃さの違いを勝手に補わず、同じ濃さと書かれた範囲で比例を使います。

水溶液を蒸発させる問いでは、混合した直後の液性と固体の名前を別々に考えます。酸性側でも中和は進み、塩化ナトリウムは生じています。固体の名前を答えるには、最初に使った酸とアルカリの組合せへ戻ることが必要です。

基本例題：ちょうどの量を基準にする

濃さが一定の塩酸 20 cm³ に、濃さが一定の水酸化ナトリウム水溶液を加えます。この塩酸をちょうど中性にするには、その水酸化ナトリウム水溶液が 12 cm³ 必要です。次の問いに答えてください。液量は混合によって変わらないものとし、体積は整数で答えます。

1. 水酸化ナトリウム水溶液を 8 cm³ 加えたとき、液性と余るイオンは何ですか。
2. さらに何 cm³ 加えると中性になりますか。
3. 中性になった液を蒸発させて十分に水を取り除いたとき、何という固体が残りますか。また、中性の液は電流を流しますか。

図2のように、必要な 12 cm³ を基準の長さとし、加えた 8 cm³ と比べます。数値はこの問題の条件であり、塩酸と水酸化ナトリウム水溶液のどの濃さにも共通する値ではありません。

まず、足りない水酸化ナトリウム水溶液の体積を求めます。

12 − 8 = 4 cm³

中性に必要な量より 4 cm³ 少ないので、塩酸側の H⁺ が余ります。したがって、1の答えは酸性で、余るのは H⁺ です。水酸化ナトリウム水溶液を加えると H⁺ と OH⁻ が反応しますが、8 cm³ では塩酸中の H⁺ がまだ残っています。Na⁺ と Cl⁻ も液中にありますが、液性を判断する際には H⁺ の余りに着目します。

2は、同じ濃さの水酸化ナトリウム水溶液をさらに 4 cm³ 加えます。確かめると 8 + 4 = 12 cm³ となり、問題で与えられた中性に必要な体積に戻ります。差をとる相手は塩酸の 20 cm³ ではなく、中性に必要な水酸化ナトリウム水溶液の 12 cm³ です。

3では、H⁺ と OH⁻ が過不足なく反応し、水になります。一方、Na⁺ と Cl⁻ は水溶液中に残ります。十分に水を取り除くと塩化ナトリウムの固体が得られます。中性の液にも動けるイオンがあるので、電流は流れます。固体として取り出した後の状態と、水に溶けた状態を混同しないようにします。

条件を変えたときの分かれ目

別の濃さが一定の塩酸 30 cm³ を中性にするには、濃さが一定の水酸化ナトリウム水溶液 18 cm³ が必要です。同じ塩酸 10 cm³ に、同じ水酸化ナトリウム水溶液 9 cm³ を混ぜます。混合後の液性、余るイオン、中性にするため追加する液の種類と体積を答えてください。体積は整数とします。

塩酸を 30 cm³ から 10 cm³ にすると、同じ濃さなので H⁺ の量は 3分の1 です。必要な水酸化ナトリウム水溶液も 3分の1 になります。

18 ÷ 3 = 6 cm³

ところが、実際には 9 cm³ 加えています。

9 − 6 = 3 cm³

水酸化ナトリウム水溶液が 3 cm³ 分多いので、OH⁻ が余ってアルカリ性です。中性に戻すには塩酸を加えます。塩酸 30 cm³ が水酸化ナトリウム水溶液 18 cm³ に対応するので、塩酸 5 cm³ は水酸化ナトリウム水溶液 3 cm³ に対応します。答えは同じ塩酸 5 cm³ です。

元の条件へ戻して確かめます。塩酸の合計は 10 + 5 = 15 cm³ です。これは 30 cm³ の半分で、対応する水酸化ナトリウム水溶液の量は 18 ÷ 2 = 9 cm³ です。実際に加えた量と一致します。中性になる点の前ならアルカリを足し、後なら酸を足すという分かれ目を押さえると、追加する液を逆にしにくくなります。

誤答から残りを描き直す

基本例題で「8 cm³ 加えたので中和が起き、中性です」と答えた場合を考えます。図3のように、中和の進行と液性を別々の欄に置くと誤りの場所が見えます。8 cm³ は 12 cm³ より少なく、水になる H⁺ はあっても H⁺ が残るからです。

原因は「中和」を「中性になること」と読み替えることです。修正するときは、まず両方のイオンが出会えば水が生じると書きます。次に必要量と実際の量を比べ、余るイオンと液性を記入します。反応の有無を答えたあとで、残りを調べる一手間を入れます。

別の誤りは「中性ならイオンがないので電流が流れない」です。この組合せでは H⁺ と OH⁻ が水になっても、Na⁺ と Cl⁻ が残ります。液性に関係するイオンと、電流を運ぶことのできるイオンを区別し、残る種類を書き出して直します。蒸発後に固体が残ることも、Na⁺ と Cl⁻ の行き先から説明できます。

練習：量と粒子をたどる

いずれも与えた濃さは各問題の中で一定です。体積は整数で答え、液量は混合によって変わらないものとします。蒸発では十分に水を取り除くものとします。

問題

1. 塩酸 25 cm³ を中性にするのに水酸化ナトリウム水溶液 15 cm³ が必要です。この塩酸に水酸化ナトリウム水溶液 11 cm³ を加えました。液性と余る H⁺ または OH⁻、中性にするため追加する水酸化ナトリウム水溶液の体積を答えてください。
2. 塩酸 24 cm³ を中性にするのに水酸化ナトリウム水溶液 16 cm³ が必要です。この塩酸 12 cm³ に水酸化ナトリウム水溶液 10 cm³ を加えました。液性と余る H⁺ または OH⁻、中性にするため追加する同じ塩酸の体積を答えてください。
3. 塩酸と水酸化ナトリウム水溶液をちょうど中性になる量で混ぜました。混合液に残る主な2種類のイオン、その液が電流を流すか、蒸発後の固体の名前を答えてください。
4. 塩酸 40 cm³ を中性にするのに水酸化ナトリウム水溶液 20 cm³ が必要です。同じ塩酸 30 cm³ に同じ水酸化ナトリウム水溶液 15 cm³ を加えました。液性と、反応してできる物質を答えてください。

答えと考え方

1. 酸性、H⁺、4 cm³ です。中性に必要な量との差は 15 − 11 = 4 cm³ です。11 + 4 = 15 cm³ となるので、追加後の量は与条件に一致します。反応は進んでいても、足りない分に対応する H⁺ が残ります。

2. アルカリ性、OH⁻、塩酸 3 cm³ です。塩酸 12 cm³ は 24 cm³ の半分なので、中性に必要な水酸化ナトリウム水溶液は 16 ÷ 2 = 8 cm³ です。実際には 10 − 8 = 2 cm³ 分多く、OH⁻ が余ります。塩酸 24 cm³ と水酸化ナトリウム水溶液 16 cm³ の対応を8分の1にすると、塩酸 3 cm³ と水酸化ナトリウム水溶液 2 cm³ の対応になります。追加後は塩酸 15 cm³ で、24 cm³ の8分の5です。水酸化ナトリウム水溶液も 16 cm³ の8分の5である 10 cm³ となり、条件に戻ります。

3. Na⁺ と Cl⁻ が残り、液は電流を流し、固体は塩化ナトリウムです。水になった H⁺ と OH⁻ のほかに、元の2つの水溶液からそれぞれ Na⁺ と Cl⁻ が入ります。中性であっても動けるイオンがあることを根拠にします。

4. 中性で、水と塩化ナトリウムができます。塩酸 30 cm³ は 40 cm³ の4分の3なので、中性に必要な水酸化ナトリウム水溶液は 20 × 3 ÷ 4 = 15 cm³ です。実際に加えた量に一致します。反応で水が生じ、残る Na⁺ と Cl⁻ から塩化ナトリウムが得られます。水溶液中では塩化ナトリウムはイオンとして存在します。

要点を短く整理

• 中和では H⁺ と OH⁻ が結びついて水になります。
• 液性は、反応後に H⁺ と OH⁻ のどちらが余るかで見ます。
• 塩酸と水酸化ナトリウム水溶液からは塩化ナトリウムができます。
• 中性の混合液にも Na⁺ と Cl⁻ が残り、電流が流れます。

途中の考えを確かめるには

お子さまが答えを中性としたときは、図1を指し、どのイオンが水になり、どのイオンが残るかを説明してもらうと、反応と液性の混同を見分けられます。量の問題では、追加前の量と中性に必要な量の両方に単位を書き、差をとる理由を言葉にしてみます。

個別指導では、必要量を比例で求めた途中式に戻り、酸とアルカリのどちらに対応する体積かを確かめます。答えを元の混合条件へ戻して一致するかも確認すると、計算の誤りと対応の取り違えを分けられます。残るイオンをたどれば、中和の後の液性と固体を同じ道筋で説明できます。