溶解、酸化・還元、酸・塩基 埼玉大学 教育学部 理科教育講座 芦田 実 化学の疑問・質問 溶解、酸化・還元、酸・塩基 埼玉大学　教育学部　理科教育講座 芦田　実

芦田のホームページの紹介 化学の質問箱（高校生,大学生,学校の先生） 水溶液の作り方（濃度計算，調製方法，　　注意事項,理科以外の専修生･小学校の先生向け） 化学実験のｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ（酸－塩基滴定） 授業の資料（姓,名,番号,ﾊﾟｽﾜｰﾄﾞが必要）

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○溶解現象と溶解度 ○酸化・還元と反応式 ○酸と塩基 高校生や大学生が分かりにくいこと、誤解していることを解説 ⇒ 化学に関する質問を分類 ○溶解現象と溶解度 ○酸化・還元と反応式 ○酸と塩基 高校生や大学生が分かりにくいこと、誤解していることを解説　　⇒

溶解現象と溶解度 溶けるとは？

質問21 溶けるとはどういうこと？ 砂糖が水に溶けると、なぜ見えなくなるの？ 質問21 　 　溶けるとはどういうこと？ 　砂糖が水に溶けると、なぜ見えなくなるの？ 回答 　分子レベルで均一に分散し、見えなくなった 　氷砂糖は無色透明　（白色は色ではない） 　粉砂糖も顕微鏡で見れば無色透明の粒　　⇒

ネルンストの溶解速度の式

質問22 砂糖はお湯には溶けやすいのに、なぜ水に は溶けにくいの？ 質問22 　 　砂糖はお湯には溶けやすいのに、なぜ水に 　は溶けにくいの？ 回答 　温度が上がると、分子運動などが激しく拡散係数Ｄが増加して、溶解速度Ｒが大きくなる 　分子運動などが激しくなるほど、固体が析出し難く溶解度Ｃｏが大きくなる　　　　　　　　⇒

質問23 ヨーグルトに付いてくる砂糖はどうしてすぐ溶けるの？ 回答 　ヨーグルトの砂糖は、グラニュー糖を砕いて粉末にし 　たり、それをさらに顆粒状に固めたもの 　顆粒状糖は多孔質なので、水が浸み込んでバラバ 　ラになって溶けやすい 　溶解は表面現象なので、表面積Ｓが大きいほど溶解 　速度Ｒが大きい 　かき混ぜて、拡散係数Ｄを増加させ、拡散層δを減 　少させれば、溶解速度Ｒが大きくなる　　　　　　　　⇒

質問102 コップの水にスプーン１杯の砂糖は溶けるの に、なぜ砂は全く溶けないの？ 質問102 　 　コップの水にスプーン１杯の砂糖は溶けるの 　に、なぜ砂は全く溶けないの？ 回答 　溶けるには限度がある（溶解度Ｃｏ） 　溶解度が非常に小さいだけで、砂も溶けている 　砂糖も多量に入れれば、溶解度に達して溶け 　なくなる　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　⇒

水に対する無機化合物の溶解度 （無水物に換算した値）（25℃） AgCl 1.9×10-4 %　　NaCl 26 %　　PbCl2 1.1 % BaCO3 0.0018 %　Na2CO3 23 %　CaCO3 0.082 % Ag 2.8×10-6 %　 Hg 2.5×10-6 %　 Pb 3×10-5 % PbS 1×10-4 %　CuS 2.4×10-14 %　NiS 5×10-9 % BaSO4 2.2×10-4 %　　PbSO4 4.5×10-3 %　　　⇒

1-ブタノールは水に飽和濃度まで溶ける。水も1-ブタ ノールに飽和濃度まで溶ける（相互溶解度） 質問230 　水に1-ブタノールは溶けないのに、構造異性体の2-メ 　チル-2-プロパノールが溶けるのはなぜ？ 　アルコール同士だと、どんな組合わせでも溶けるの？ 回答 　1-ブタノールは水に飽和濃度まで溶ける。水も1-ブタ 　ノールに飽和濃度まで溶ける（相互溶解度） 　アルコールは極性のＯＨ基と無極性の炭素鎖でできて 　いる。極性の方が強いほど極性溶媒の水によく溶ける 　側鎖は分子が集合するときの障害になり、直鎖の異性 　体より水に溶けやすい 　アルコール同士でも炭素数が非常に少ない物と多い物 　は混合しにくい　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　⇒

種々の液体の相互溶解度

種々の液体の相互溶解度

溶媒と溶質に両方とも極性があればよく溶 ける 溶媒と溶質に両方とも極性がなければよく 溶ける 一方に極性があり、他方に極性がなければ 質問40 　 　溶け方と極性の関係は？ 回答 　溶媒と溶質に両方とも極性があればよく溶 　ける 　溶媒と溶質に両方とも極性がなければよく 　溶ける 　一方に極性があり、他方に極性がなければ 　溶け難い　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　⇒

極性の強さ 化学物質 水 ｴﾀﾉｰﾙ ﾍﾞﾝｾﾞﾝ 双極子ﾓｰﾒﾝﾄ(D) 1.85 1.44 0.1以下？ 化学物質 　　 水 　ｴﾀﾉｰﾙ　　ﾍﾞﾝｾﾞﾝ 双極子ﾓｰﾒﾝﾄ(D) 1.85　　　1.44　　0.1以下？ 化学物質　　　　　　塩化ﾅﾄﾘｳﾑ ナフタレン 双極子ﾓｰﾒﾝﾄ(D)　 　　9.00　　　　 0.1以下？ 1 D=3.33×10-30 C･m　　　　　　　　　　　　　　　　⇒

極性の大小と溶解度の関係 　　　　極性大　 極性小 溶解度（質量％） 　塩化ﾅﾄﾘｳﾑ 　ナフタレン 極性大 　　水 26.4 　 0.0031 　　エタノール 　0.148 　 10.6 極性小 ベンゼン 不溶？ 40.4　　⇒

質問34 温度による溶解度差を利用しないで再結晶させる方法は？ 質問34 　 温度による溶解度差を利用しないで再結晶させる方法は？ 回答 　煮詰めれば固体が析出する。熱に弱い物質 　はエバポレーターやフリーズドライを利用する 　他の溶媒を添加する（例えば、塩化ナトリウム 　水溶液にエタノールを加えると、塩化ナトリウ 　ムの固体が析出する）　　　　　　　　　　　　　⇒

酸化・還元と反応式 反応する？ しない？

質問119 王水は金や白金を溶かすのに、ガラス容器は なぜ溶けないの？ 質問119 　 　王水は金や白金を溶かすのに、ガラス容器は 　なぜ溶けないの？ 回答 　王水の組成　濃硝酸：濃塩酸＝１：３ 　強酸と強力な酸化力で貴金属を酸化して溶かす 　普通のソーダ石灰ガラスの組成　Na2O・CaO・5SiO2 　全て酸化物なので、これ以上酸化されない 　Na2OとCaOは単独なら酸に溶けるが、SiO2は酸に溶 　けない。結局、王水に溶けない　　　　　　　　　　　　⇒

質問141 銀の指輪を温泉につけたら黒くなった。アルミの鍋で 食塩水で煮たら元に戻った。なぜ？ 質問141 　銀の指輪を温泉につけたら黒くなった。アルミの鍋で 　食塩水で煮たら元に戻った。なぜ？ 回答　（酸性の場合） 　標準電極電位（正値の反応ほど右に進む） 　(1) Al3+ + 3e- → Al -1.68V 　(2) Ag2S + 2e- → 2Ag + S2- -0.69V 　(3) S + 2e- → S2- -0.45V 　(4) S + 2H+ + 2e- → H2S(g) +0.17V 　(5) Ag+ + e- → Ag +0.80V 　温泉につけると硫化銀が生じ黒ずむ。酸性温泉なら 　式(2)が左に、式(4)が右に進む。式(5)は反応しない 　2Ag + S2- + S + 2H+ → Ag2S + H2S(g) 　∴　2Ag + S → Ag2S　　　　　　　　　　　　　　　　　　⇒

質問141（続） 銀の指輪を温泉につけたら黒くなった。アルミの鍋で 食塩水で煮たら元に戻った。なぜ？ 質問141（続） 　銀の指輪を温泉につけたら黒くなった。アルミの鍋で 　食塩水で煮たら元に戻った。なぜ？ 回答（続）　 （アルミの鍋） 　標準電極電位（正値の反応ほど右に進む） 　(1) Al3+ + 3e- → Al -1.68V 　(2) Ag2S + 2e- → 2Ag + S2- -0.69V 　(3) S + 2e- → S2- -0.45V 　(4) S + 2H+ + 2e- → H2S(g) +0.17V 　(5) Ag+ + e- → Ag +0.80V 　アルミの鍋で煮ると、アルミニウムイオンが生じ、銀 　が析出して元に戻る。食塩は電子を運ぶ？式(1)が 　左に、式(2)が右に進む 　2Al + 3Ag2S → 2Al3+ + 6Ag + 3S2-　　　　　　　　　⇒

質問189 KMnO4による酸化還元滴定でHCl はなぜ使えない？ 回答　（塩酸） 　酸性中の標準電極電位（正値の反応が右に進む） 　(1) Cl2(g) + 2e- → 2Cl-　　　　　　　　　　　　+1.36V 　(2) MnO4- + 4H+ + 3e- → MnO2 + 2H2O　　+1.70V 　Cl-がMnO4-で酸化されCl2がゆっくり発生する 　6Cl- + 2MnO4- + 8H+ → 3Cl2↑ + 2MnO2 + 4H2O 　電位差が大きいほど反応速度が大きい　　　　⇒

質問189（続） KMnO4による酸化還元滴定でHCl はなぜ使えない？ 回答（続）　（硫酸） 　酸性中の標準電極電位（正値の反応が右に進む） 　(3) 2SO42- + 4H+ + 4e- → S2O62- + 2H2O　 -0.25V 　(4) SO42- + 4H+ + 2e- → H2SO3 + H2O　　　+0.16V 　(2) MnO4- + 4H+ + 3e- → MnO2 + 2H2O　　+1.70V 　(5) S2O82- + 2e- → 2SO42-　　　　　　　　　　+1.96V 　方向が逆なのでSO42-はMnO4-と反応しない　⇒

質問170 水溶液と金属の反応？ ① CuSO4aq + Fe ② FeSO4aq + Cu 回答 ① Fe2+ + 2e- → Fe　-0.44V　Cu2+ + 2e- → Cu　+0.34V 　　∴ Fe + Cu2+ → Fe2+ + Cu ② 反応しない。　Fe2(SO4)3aq + Cu ならば反応する 　　Cu2+ + 2e- → Cu　+0.34V　Fe3+ + e- → Fe2+　+0.77V 　　∴　2Fe3+ + Cu → 2Fe2+ + Cu2+ 　　銅のエッチング等に利用する　　　　　　　　　　　　⇒

質問155 ろ紙に食塩水を吸わせてスチールウールをのせ、 電極をつなぎ、スチールウールにヨードチンキを たらすと電流が流れた。なぜ？ 質問155 　 　ろ紙に食塩水を吸わせてスチールウールをのせ、 　電極をつなぎ、スチールウールにヨードチンキを 　たらすと電流が流れた。なぜ？ 回答 　スチールウール(Fe)　Fe2+ + 2e- → Fe　-0.44V 　ヨードチンキ(I2-KI)　I3- + 2e- → 3I-　+0.54V 　∴　Fe + I3- → Fe2+ + 3I- 　食塩水を吸わせたろ紙は導線の役目　　　　　　⇒

質問175 10円と１円とレモンを使って豆電球を点灯させたい 質問175 　 　10円と１円とレモンを使って豆電球を点灯させたい 回答 　金属は、みがいて表面の酸化膜を落として使う 　接触面積が大きいほうが大電流を取り出せる 　並列つなぎ→大電流、直列つなぎ→大電圧 　直列つなぎで、金属間にレモン汁を１つおきに入れる 　材料　ｽﾃﾝﾚｽ(ｽﾌﾟｰﾝ、ﾎｰｸ)、ｱﾙﾐﾆｳﾑ(ｱﾙﾐﾌｫｲﾙ、 　　1円）、亜鉛、炭素(備長炭、炭素棒)、銅(10円)、 　　鉛、お酢、しょう油、ワイン、レモン汁等 　少電流で作動　発光ダイオード、電子オルゴール 　中電流で作動　アナログ時計、モーター　　　　　　⇒

質問175（追加） 10円と100円ではなぜ点灯しないの？ 質問175（追加） 　 10円と100円ではなぜ点灯しないの？ 回答 　10円は青銅(Cu95%、Zn4～3%、Sn2～1%)製 　50円や100円は白銅(Cu75%、Ni25%)製 　主成分が同じなので起電力が小さく、電流 　が流れ難い　　　　　　　　　　　　　　　　　　⇒

同意 食塩水で湿らせたろ紙はなぜ電池になるの？ スライムは脇役、電圧を発生させる電極が主役 スライムはポリビニルアルコールPVAとホウ砂と水 質問202 　 スライムはなぜ電池になるの？ 回答 　同意　食塩水で湿らせたろ紙はなぜ電池になるの？ 　スライムは脇役、電圧を発生させる電極が主役 　スライムはポリビニルアルコールPVAとホウ砂と水 　からできている 　PVA（ろ紙）はホウ砂（食塩）水溶液を入れてるだけ 　ホウ砂はNa+等を含み、電流を流す手伝いをする 　スライムは流動性があり、イオンが移動できる　　⇒

質問50 鉄ミョウバン(触媒)による過酸化水素分解反応で、 酸素だけでなく、水素も発生するの？ 質問50 　鉄ミョウバン(触媒)による過酸化水素分解反応で、 　酸素だけでなく、水素も発生するの？ 回答 　H2O2からは水素は発生しない 　H2O2は酸化剤としても、還元剤としても働く 　H2O2 → O2 + 2H+ + 2e-　　2Fe3+ + 2e- → 2Fe2+ 　∴　H2O2 + 2Fe3+ → O2 + 2H+ + 2Fe2+ 　H2O2 + 2H+ + 2e- → 2H2O　　2Fe2+ → 2Fe3+ + 2e- 　∴　H2O2 + 2H+ + 2Fe2+ → 2H2O + 2Fe3+ 　以上より　2H2O2 → 2H2O + O2　　　　　　　　　　⇒

酸と塩基 ｐＨとは？

質問174 酸性の川水は炭酸カルシウムでなぜ中和できるの？ 炭酸○○は酸性ではないの？ 質問174 　酸性の川水は炭酸カルシウムでなぜ中和できるの？ 　炭酸○○は酸性ではないの？ 回答 　CaCO3 は水に溶けて Ca2+ と CO32- に電離する 　CaCO3 ⇔ Ca2+ + CO32- 　弱酸の CO32- は加水分解して OH- を生ずる 　CO32- + H2O ⇔ HCO3- + OH- 　HCO3- ⇔ CO2 + OH- 　この OH- が川の酸性を中和する 　H+ + OH- ⇔ H2O　　　　　　　　　　　　　　　　⇒

質問116 弱酸と弱塩基の塩 (NH4)2CO3 は中性なのに、 なぜ塩酸と中和反応するの？ 回答 　H+ と反応して CO32- が HCO3- に、さらに 　H2CO3 すなわち H2O と CO2 に変化する 　もし、NaOH を加えるならば OH- と反応し、 　NH4+ が NH3 と H2O に変化する　　　　⇒

質問154 アンモニアの乾燥剤に濃硫酸は なぜ使われないの？ 質問154 　 　アンモニアの乾燥剤に濃硫酸は 　なぜ使われないの？ 回答 　脱水作用（水和）が起こる 　H2SO4 + xH2O → H2SO4・xH2O 　さらに、硫酸アンモニウムが生成するため 　H2SO4 + 2NH3 → (NH4)2SO4　　　　　　　⇒

質問237 中和と中性(pH7)の違いは？ 塩酸をNaOH水溶液で 滴定するとき、指示薬はなぜﾌｪﾉｰﾙﾌﾀﾚｲﾝでいいの？ 回答　（中和と中性） 　中和は化学反応、中性は化学的性質で別物 　酢酸をNaOH水溶液で中和すると酢酸ナトリウムが 　でき、酢酸イオンが加水分解して水酸化物イオンを 　生じる(塩基性) 　CH3COOH + NaOH → CH3COO- + Na+ + H2O 　CH3COO- + H2O ⇔ CH3COOH + OH-　　　　　　⇒

質問237（続） 中和と中性(pH7)の違いは？ 塩酸をNaOH水溶液で 滴定するとき、指示薬はなぜﾌｪﾉｰﾙﾌﾀﾚｲﾝでいいの？ 回答（続）　（ﾌｪﾉｰﾙﾌﾀﾚｲﾝ） 　中和点の近くではpHが大きく変化する 　中和点のpHと指示薬の変色pHが少しずれても、 　実験誤差は非常に小さい 　例 半滴0.02mLが滴下量10mLに及ぼす誤差は0.2% 　pHジャンプする領域で変色する指示薬を使う　　⇒

質問193 弱酸と強塩基の滴定をｐＨメーターを使ってす るには？ ｐＨジャンプの始点と終点はどこ？ 質問193 　 　弱酸と強塩基の滴定をｐＨメーターを使ってす 　るには？　ｐＨジャンプの始点と終点はどこ？ 回答 　　酢酸とNaOH 　水溶液の場合 　はpH8～9を当 　量点（ちょうど 　中和する点） 　とする 　pHジャンプの 　領域7.5～10 　　　　　　　　　⇒

強酸と強塩基の中和滴定ではｐＨジャンプする 弱酸と弱塩基では緩衝効果によりジャンプしない 質問225 　 　中和滴定でpHジャンプする理由は？ 回答 　強酸と強塩基の中和滴定ではｐＨジャンプする 　弱酸と弱塩基では緩衝効果によりジャンプしない 　初濃度C=0.1mol/L ≫ 当量点1×10-7mol/L 　水のイオン積Kw=[H+][OH-]=1×10-14mol2/L2 　[H+]と[OH-]が反比例している 　当量点で[H+]と[OH-]の大小が逆転し急変する　⇒

質問225（続） ｐＨ曲線と[H+]、[OH-] （近似計算） HCl-NaOH系 初濃度C＝0 質問225（続）　ｐＨ曲線と[H+]、[OH-] （近似計算） 　HCl-NaOH系　　初濃度C＝0.1mol/L　　Kw＝1×10-14mol2/L2

水が極弱い酸(CO2なしで25℃の純水がpH=7) [HCl]<1×10-7mol/Lの場合、水から生ずる[H+] のほうが大きい 回答 　水中ではpH>7の塩酸は存在しない 　水が極弱い酸(CO2なしで25℃の純水がpH=7) 　[HCl]<1×10-7mol/Lの場合、水から生ずる[H+] 　のほうが大きい 　有機溶媒(水よりも弱酸)中ならpH>7の塩酸が 　調製できそう 　必ず溶媒のpH以下になる　　　　　　　　　　　⇒

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終わり