2021年01月10日

高校化学「化学平衡」「電離定数」酢酸水溶液の電離定数

高校化学「化学平衡」「電離定数」酢酸水溶液の電離定数

◆問題

酢酸水溶液中では、次の式のような電離平衡が成立している。

CH3COOH↔CH3COO-+H+

酢酸,酢酸イオン,水素イオンのモル濃度をそれぞれ[CH3COOH],[CH3COO-],[H+]とし、酢酸の電離度は1よりも充分に小さいものとして次の問いに答えよ。

(1) 電離定数Kaを表す式を、[CH3COOH],[CH3COO-],[H+]を用いて表せ。

(2) 電離定数Kaを2.8×10^(-5)mol/Lとして、7.0×10^(-2)mol/Lの酢酸水溶液中の酢酸の電離度αを求めよ。


この記事では(2)を解説します。


★★ お知らせ ★★

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従来のセンター試験や試行テストの内容を踏まえて、理系文系全科目の指導が可能です。
マンツーマンの授業なので「ゼロからのスタートの人は中学の復習から」「基本ができている人は応用問題の解き方中心に」など、ひとりひとりの状況に合わせて授業を行います。
適切な時期に適切な対策をすれば、どんな目標でも達成可能です。志望校を諦める前に、まずは一度ご相談ください。


◆解説

(1)で電離定数Ka=[CH3COO-]・[H+]/[CH3COOH]であることを求めました。

(2)では、これらのモル濃度の一部が与えられていて、電離度αを求めていきます。

イオン反応式はCH3COOH↔CH3COO-+H+なので、CH3COO-とH+は、1:1の割合で生成することがわかります。

さらに、酢酸の濃度は7.0×10^(-2)mol/Lで、電離度はαなので、[CH3COO-]=[H+]=α×7.0×10^(-2)です。
平衡時にはこれだけ電離しているので、CH3COOHはその分だけ減少して、[CH3COOH]=7.0×10^(-2)−α×7.0×10^(-2)=(1−α)×7.0×10^(-2)ですが、αは充分に小さいので、1−α=1とみなして、平衡時の[CH3COOH]も7.0×10^(-2)と考えます。

電離定数は2.8×10^(-5)mol/Lだから、これらの値をKa=[CH3COO-]・[H+]/[CH3COOH]に代入すれば、αの式を作ることができますね!やってみましょう!

2.8×10^(-5)={α×7.0×10^(-2)}^2/7.0×10^(-2)

右辺を7.0×10^(-2)で約分すると、

2.8×10^(-5)=α^2×7.0×10^(-2)

両辺を入れ替えて、さらに7.0×10^(-2)で割ると、

α^2=2.8×10^(-5)/7.0×10^(-2)
  =0.40×10^(-3)=4.0×10^(-4)

よって、α=2.0×10^(-2)


今回の問題では、酢酸の濃度や電離定数が数字で与えられていたので、そのまま代入して立式してみましたが、通常は、電離定数Ka,酢酸のモル濃度をc,電離度αとして、Ka=(cα^2)/(1−α)より、α=√(Ka/c)を導いて解く方が模範的です。この模範的な方の解き方は他の問題で掲載したいと思います。


次の問題→酢酸の電離度


◆関連問題
酢酸1.0[mol]とエタノール1.0[mol]の混合物の化学平衡


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高校化学(用語)「電離平衡」

高校化学(用語)「電離平衡」

★電離平衡(ionic equilibrium)

電解質溶液などで、電離と再結合がつり合っている状態のこと。

例えば、一定の条件下では、

CH3COOH↔CH3COO-+H+

見かけ上この反応が止まっているように見えることがあります。
これは実際は反応が起こっていないのではなく、「左→右」の反応と「右→左」の反応の速度が等しいから止まって見えるというわけです。

この考えは、普通の化学平衡と同じです。
反応の種類としては「電離」だから「電離平衡」と呼ぶ。というだけですね。

だから、電離定数の求め方も、普通の平衡定数の求め方と同じです。

つまり、「電離定数=(右辺のモル濃度の積)/(左辺のモル濃度の積)」です。


◆ 関連項目
平衡定数、緩衝液


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2021年01月09日

高校化学「化学平衡」「電離定数」酢酸水溶液の電離定数

高校化学「化学平衡」「電離定数」酢酸水溶液の電離定数

◆問題

酢酸水溶液中では、次の式のような電離平衡が成立している。

CH3COOH↔CH3COO-+H+

酢酸,酢酸イオン,水素イオンのモル濃度をそれぞれ[CH3COOH],[CH3COO-],[H+]とし、酢酸の電離度は1よりも充分に小さいものとして次の問いに答えよ。

(1) 電離定数Kaを表す式を、[CH3COOH],[CH3COO-],[H+]を用いて表せ。


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◆解説

電離定数Kaも、要するに平衡定数です。
だから、Kaの求め方は、普通に平衡定数の求め方と同じです。
つまり、

Ka=(右辺のモル濃度の積)/(左辺のモル濃度の積)

です。

この場合は、左辺にCH3COOH,右辺にCH3COO-とH+があるので、

Ka=[CH3COO-]・[H+]/[CH3COOH]

となります。


次の問題→酢酸の電離度


◆関連問題
酢酸1.0[mol]とエタノール1.0[mol]の混合物の化学平衡


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2020年12月15日

高校化学(用語)「物質量」「アボガドロ定数」

高校化学(用語)「物質量」「アボガドロ定数」

★物質量(amount of substance)

質量数12の炭素の質量が12gになるときの炭素原子の個数が1molであり、このmolで表される数量を物質量という。


★アボガドロ定数(Avogadro constant)

1mol≒6.02×10^23個であり、6.02×10^23をアボガドロ定数という。


アボガドロ定数に等しい個数の粒子があるとき、1molの粒子がある。ということができます。
そして、1molの粒子があるとき、その原子量や分子量、式量にgをつけた質量になる。ことを、まずは覚えましょう!
例えば、Cが1.0molあれば12g,O2が1.0molあれば16×2=32g,NH3が1.0molあれば14+3=17gなどなど。

そして気体の場合は、気体の種類にかかわらず、標準状態での体積は1mol=22.4Lです。
例えば、O2が1.0molでも、NH3が1.0molでも、その他の気体でも標準状態ならば1.0mol=22.4Lです。

モル(物質量)がわかると、質量、体積、個数が全てわかるので、あらゆる分野の計算問題でモルを利用します。
高校化学の数量の計算では、「まずはモルを求める」ことを一つの目標にしておくと良いと思います。


◆関連項目
モル濃度、質量パーセント濃度


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2020年11月25日

高校化学(用語)「平衡定数」

高校化学(用語)「平衡定数」

★平衡定数(equilibrium constant)

可逆反応において、化学反応の平衡状態を物質の存在比で表したものを平衡定数という。
温度が一定ならば、平衡定数は一定になる。


モル濃度を用いて表した平衡定数を特に「濃度平衡定数」とも呼ぶこともあります。

(濃度)平衡定数を求める式は

平衡定数K=(右側のモル濃度の積)/(左側のモル濃度の積)

という形になります。
モル濃度の積なので、例えば係数2がついていれば(モル濃度)×(モル濃度)=(モル濃度)^2となります。


理想気体では物質量と分圧は比例するので、気体の場合は分圧を用いて平衡定数を表す場合もあります。
分圧を用いて表した平衡定数を「圧平衡定数」といいます。


◆ 関連項目
電離平衡、緩衝液


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2020年11月24日

高校化学「化学平衡」酢酸1.0[mol]とエタノール1.0[mol]の混合物

高校化学「化学平衡」酢酸1.0[mol]とエタノール1.0[mol]の混合物

◆問題

酢酸1.0[mol]とエタノール1.0[mol]の混合物を反応させ、ある一定温度で平衡状態に達したとき、酢酸が0.25[mol]に減少していたという。次の反応式を参考にして、この温度におけるこの反応の平衡定数を求めよ。

CH3COOH+C2H5OH↔CH3COOC2H5+H2O


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◆解説

平衡定数を求めるためには、平衡状態におけるそれぞれの物質のモル濃度を求める必要があります。
モル濃度は1Lあたりの物質量なので、まずは平衡状態における物質量を求めていきます。
そのためには、平衡の量的関係に関する表を書くのが一般的です。はじめの状態、変化量、平衡時の3つの数量を表にしていきます。

まずは、「はじめの状態」は、「酢酸1.0[mol]とエタノール1.0[mol]」で、まだ反応は起こっていないので、

    CH3COOH+C2H5OH↔CH3COOC2H5+H2O
はじめ   1.0    1.0     0      0


このようになります。
そして、「平衡状態に達したとき、酢酸が0.25[mol]に減少していた」なので、平衡時の酢酸の物質量が0.25[mol]です。この状態を表すと、

    CH3COOH+C2H5OH↔CH3COOC2H5+H2O
はじめ   1.0    1.0     0      0
変化量
平衡時  0.25

このようになります。
反応式から、1:1:1:1の割合で反応するので、C2H5OHも0.25molになったと推定できます。

    CH3COOH+C2H5OH↔CH3COOC2H5+H2O
はじめ   1.0    1.0     0      0
変化量
平衡時  0.25   0.25

酢酸とエタノールが0.25molになったということは、これら2つの物質の変化量は−0.75ですね。
さらに反応式から、反応語の酢酸エチルと水は0.75増加すると推定できます。

    CH3COOH+C2H5OH↔CH3COOC2H5+H2O
はじめ   1.0    1.0     0      0
変化量 −0.75  −0.75   +0.75  +0.75
平衡時  0.25   0.25

酢酸エチルと水は0.75mol増加したので、0から0.75になります。

    CH3COOH+C2H5OH↔CH3COOC2H5+H2O
はじめ   1.0    1.0     0      0
変化量 −0.75  −0.75   +0.75  +0.75
平衡時  0.25   0.25    0.75   0.75

ということで、平衡の量的関係を表す図は完成しました。
つまり、平衡時には酢酸とエタノールは0.25mol,酢酸エチルと水は0.75mol存在することになります。
体積は与えられていないので、V[L]とすると、それぞれのモル濃度は0.25/V,0.75/Vとなります。

平衡定数=(右側のモル濃度の積)/(左側のモル濃度の積)

なので、わかった値を代入すると、

K={(0.75/V)×(0.75/V)}/{0.25/V)×(0.25/V)}

分子と分母のVの個数が同じなので、Vを全て消去して、数字も約分すると、

K=3×3/1×1=9

有効数字を2桁とすれば、K=9.0


◆関連問題
ハーバー・ボッシュ法


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2020年11月19日

高校化学「電池まとめ」

高校化学「電池まとめ」

高校化学の電池に関する、このブログに掲載した解説・問題の一覧です。


◆ 問題

電池の仕組み
ボルタ電池
ダニエル電池
鉛蓄電池
希硫酸と鉛蓄電池
燃料電池の式、電気量
電気分解と電池


◆ プチまな

水素の性質に関する問題
金属の性質に関する問題


まだまだ追加していきます!
リクエストがあればお気軽にどうぞ!


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2020年11月11日

高校化学「濃度まとめ」

posted by えま at 21:00| Comment(0) | 高校化学 | このブログの読者になる | 更新情報をチェックする

2020年10月03日

高校化学(用語)「水素結合」

高校化学(用語)「水素結合」

★水素結合(hydrogen bond)

分子間力のうち、電気陰性度の大きいF,O,Nなどと水素原子が介在し、静電気的な引力によって生じる結合のこと。
水素結合による引力は、極性分子間に働く引力やファンデルワールス力よりも強い。


水は分子量が小さいのに、融点・沸点が高いのは、水分子は水素結合を持っているからですね。
分子量が大きければ沸点が高い。という傾向があります。でも、水素結合を持っている分子同士は静電気的な引力が働くので、質量による引力よりもはるかに大きな引力が働き、その他の分子よりもはるかに高い沸点を示します。

例えば、構造が似ているH2OとH2Sを比べると、水素結合を持っている水は分子量18なのに沸点は100℃で、硫化水素は分子量34なのに−85.5℃です。
分子量は水が約半分なのに、沸点は水の方がはるかに高いですね。これは水素結合による静電気的な引力のせいであると考えられます。


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2020年07月20日

高校化学(用語)「塩酸」

高校化学(用語)「塩酸」

★塩酸(hydrochloric acid)

塩化水素(HCl)の水溶液を塩酸という。最も代表的な1価の強酸。


溶質としてのHClのことも「塩酸」と言う場合もあるので、問題で塩酸が登場したときは、文脈をしっかり捉えて、水溶液のことを言っているのか、溶質のことを言っているのか注意する必要があります。


かの有名な洗剤「サンポール」の主成分は塩酸です!



◆関連問題
1.0molのZnと4.0molのHClを含む塩酸とを反応させると、Znが全て溶けた。残ったHClは何molか?


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2020年07月19日

高校化学・物理(用語)「有効数字」

高校化学・物理(用語)「有効数字」

★有効数字(significant figure)

理科で扱う数値は基本的に測定値であり、意味のある範囲の数値を有効数字という。


例えば、√2=1.41421356…と限りなく続く小数(無理数)ですが、

有効数字2桁ならば、√2≒1.4
有効数字3桁ならば、√2≒1.41

などとなります。
目盛りで判断できるスケールよりも大幅に小さいスケールの値は判別不可能で、それ以下の値は考えても意味がないので、意味のある範囲がどこまでなのかを表すのが「有効数字」というわけです。

実際は実験器具の精度によって異なりますが、高校までの計算問題では、有効数字2桁の場合が多いです。

異なる精度の値が混在するときは、基本的に最も少ない桁数に合わせます。


◆関連問題
(1) 1.0molのZnと4.0molのHClを含む塩酸とを反応させると、Znが全て溶けた。残ったHClは何molか?
(2) 0.20molのZnと0.50molのHClを反応させると、どちらが何mol残るか?
(3) 2.6gの亜鉛と0.10mol/Lの塩酸500mLを反応させると、どちらが何mol残るか?


100均の定規でもちろん問題ありませんが、こういうちょっと良いものを使うと、テンション上がったりしますよね!



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2020年07月18日

高校化学「化学反応式と量的関係」2.6gのZnと0.10mol/LのHCl

高校化学「化学反応式と量的関係」「2.6gのZnと0.10mol/LのHCl」

■問題

亜鉛Znと塩酸(HCl水溶液)の反応について、次の問いに答えよ。
Zn+2HCl→ZnCl2+H2

(3) 2.6gの亜鉛と0.10mol/Lの塩酸500mLを反応させると、どちらが何mol残るか?


化学反応式が与えられているので、係数に注意して利用していきましょう!


化学も「精講」シリーズは良いと思います。



■解説

化学反応式の係数は、反応する粒子の個数の比を表します。
問題で与えられた化学反応式は

Zn+2HCl→ZnCl2+H2

ですね。
この反応式から、ZnとHClは1:2の割合で反応することがわかります。


今回の問題では、2.6gの亜鉛と0.10mol/Lの塩酸500mLを反応させます。

まず亜鉛が何molか求めます。Zn=65なので、2.6/65=0.2/5=0.04mol
です。

塩酸に含まれるHClは、与えられたモル濃度と体積を掛けて、0.10×0.5=0.05mol
です。

これらは1:2の割合で反応するので、

@亜鉛が全て使われたとすると、0.04×2=0.08molのHClが必要です。

AHClか全て使われたとすると、0.05×1/2=0.025molの亜鉛が必要です。

ということは、HClが全部使われて、Znが残ることがわかります。
Aの場合使われる亜鉛は0.025molなので、残りは0.04−0.025=0.015mol

有効数字2桁で指数を使って表せば、1.5×10^(-2)mol


◆関連問題
(1) 1.0molのZnと4.0molのHClを含む塩酸とを反応させると、Znが全て溶けた。残ったHClは何molか?
(2) 0.20molのZnと0.50molのHClを反応させると、どちらが何mol残るか?


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2020年07月01日

高校化学「溶解度」「50℃の硝酸カリウム水溶液」

高校化学「溶解度」「50℃の硝酸カリウム水溶液」

■ 問題

50℃の硝酸カリウム飽和水溶液70gから水を完全に蒸発させると、何gの結晶が得られるか求めよ。ただし、50℃における硝酸カリウムの溶解度を85とする。


溶解度とは100gの水に何gの溶質が溶けるかを表した値です。


★★ お知らせ ★★

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■ 解答解説

50℃の硝酸カリウム溶解度は85なので、100gの水に85gまで解けることがわかります。

100gの水に85g溶けるので、飽和溶液185gがあればそのうちの85gが硝酸カリウムである。というわけです。

この問題では水を完全に蒸発させるので、もともと含まれていた硝酸カリウムだけが残る。と考えられます。
つまり、70gの飽和水溶液に含まれていた硝酸カリウムの質量を求めれば良いですね。

理科の計算では、比の式を作るとやりやすいと思います。
「溶液:溶質=溶液:溶質」という関係で式を作ってみると、

185:85=70:x
  185x=85×70
     x=85×70/185
     x=32.1…

よって、32gの結晶ができることがわかりました。


関連問題
「質量パーセント濃度」「30℃の硝酸カリウム水溶液」


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2020年06月29日

高校化学(用語)「密度」

高校化学(用語)「密度」

★密度(density)

高校までの化学で出てくる密度は通常、1cm^3あたり何gか?を表す値です。
単位は[g/cm^3]または[g/mL]で表されることが多いです。

単位の斜線は割り算なので、gをmLで割った値が密度である。ということもできます。

実際の問題では、「密度×体積=質量」「1L=1000mL=1000cm^3」などと複合して利用することも多いことを意識しておくと良いと思います。


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関連問題
「濃度の変換」「36.5%の塩酸」


密度測定用の立体です。無意味に欲しくなりますね(笑)



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高校化学「濃度の変換」「36.5%の塩酸」

高校化学「濃度の変換」「36.5%の塩酸」

■ 問題

36.5%の塩酸のモル濃度を求めよ。ただし、この塩酸の密度を1.20g/cm^3とする。


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■ 解答解説

質量パーセント濃度が49%、密度が1.6g/mLの場合の記事でも書いたように、質量パーセント濃度からモル濃度に変換するときは、以下の手順でやることができます。

@密度から溶液1Lの質量を求める。
A溶液1L中の溶質の質量を求める。
B溶質が何モルか求める。
Cつまりそれがモル濃度

この手順に従ってやってみます。

@
今回の問題では、密度は1.20g/cm^3なので、1Lの質量は1000倍して、1.20×1000=1200[g]

A
水溶液1Lの質量は1200gで、このうちの36.5%がHClです。だから、
1200×36.5/100=12×36.5[g]

ちなみに、モルに直すためにあとで36.5で割るので、ここではあえて「12×36.5」は計算せずにそのままにしておきます。
その方が計算が楽である。というだけなので、もちろん計算してしまっても問題はありません。

B
溶質は12×36.5gであることがわかったので、これが何molなのかを計算します。
HCl=1+35.5=36.5だから、塩酸は1molで36.5gです。
12×36.5gを36.5で割って、
溶質の物質量は、12×36.5÷36.5=12[mol]

C
1Lの水溶液に溶質が12mol含まれていることがわかったので、12がそのままモル濃度になります。
つまり求めるモル濃度は

12[mol/L]

これで完成です!


関連問題
質量パーセント濃度が49%、密度が1.6g/mLの場合
質量パーセント濃度の求め方


塩酸普通に売ってます。さび取りや、便器の頑固な水垢(尿石?)を落とすために使うこともできるそうです。



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2020年06月28日

高校化学(用語)「モル濃度」

高校化学(用語)「モル濃度」

★モル濃度(molar concentration)

モル濃度は一定量の溶液に含まれる溶質の物質量を表します。

通常は「1Lの溶液に含まれる溶質の物質量」です。単位は[mol/L]となります。

「溶液の体積が1L」であることをしっかり覚えておいた方がよいです。
溶媒を1L用意して溶質を溶かした場合は、正確には1Lにならないことを突いてくる問題も考えられます。

単位の記号の/は、計算としては÷を表すことを利用して、「モル÷リットル」と覚えておくと計算に役立つ場合があります。

ちなみに、モル濃度はpHや化学平衡などでも必須の項目です。


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30℃の硝酸カリウム水溶液の濃度
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2020年06月27日

高校化学(用語)「溶液」

高校化学(用語)「溶液」

★溶液(solution)

「溶液=溶質+溶媒」

溶質は溶かす物質、溶媒は溶質が解ける液体のことです。
例えば食塩水なら、「溶液=食塩水」「溶質=食塩」「溶媒=水」です。
質量パーセント濃度、モル濃度の計算などで必ず登場します。


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2020年06月26日

高校化学(用語)「質量パーセント濃度」

高校化学(用語)「質量パーセント濃度」

★質量パーセント濃度(percent concentration of mass)

質量パーセント濃度は、いわゆる「濃度」のことで、一定量の溶液に含まれる溶質の質量の割合を表します。
通常はグラム単位で計算し、

質量パーセント濃度=(溶質/溶液)×100

で求めることができます。
分母は溶媒ではなく溶液です。
「溶液=溶質+溶媒」だから、「水100gに食塩10gを加えた」という場合なら分母は100ではなく110になることを意識しておくとよいと思います。


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2020年06月25日

高校化学(用語)「溶解度」

高校化学(用語)「溶解度」

★溶解度(solubility)

溶解度とは、一定量の溶媒に解ける溶質の限界量のことです。
中学理科や高校化学では、水100gに解ける溶質の限界量の場合がほとんどです。
温度が変わると溶解度も変わり、その変化のしかたをグラフに表したものが、溶解度曲線です。
質量パーセント濃度や再結晶による析出の問題などによく登場します。


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2020年06月24日

高校化学「溶解度」「質量パーセント濃度」「30℃の硝酸カリウム水溶液」

高校化学「溶解度」「質量パーセント濃度」「30℃の硝酸カリウム水溶液」

■ 問題

30℃における硝酸カリウム水溶液の飽和水溶液の質量パーセント濃度はいくらか求めよ。ただし、30℃における硝酸カリウムの溶解度を45とする。


溶解度とは100gの水に何gの溶質が溶けるかを表した値です。


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■ 解答解説

30℃の硝酸カリウム溶解度は45なので、100gの水に45gまで解けることがわかります。

「100gの水に45g溶けるのだから、45%」

としてしまった人はいませんか?いますよね(笑)
一見すると良さそうですが、実は45%は不正解です。

質量パーセント濃度=(溶質の質量/溶液の質量)×100

いわゆる「濃度」とは「溶液に対する溶質の割合」を表します。この場合「溶液」は「硝酸カリウム水溶液」です。
だから、100gではなく100+45=145gを分母にしなければいけません。

計算してみると、

 (45/145)×100
=(9/29)×100≒31%


関連問題
質量パーセント濃度の求め方


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こんなヤツです
名前:江間淳
年齢:41
職業:プロ家庭教師、AE個別学習室(えまじゅく)代表、翻訳者
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メールアドレス:j@a-ema.com
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