滴定曲線と指示薬の選択

酸・塩基の強弱の組み合わせから中和点の液性と滴定曲線の形を判定し、フェノールフタレイン・メチルオレンジのどちらが使えるかを選べる

前提

塩の分類と水溶液の液性（高校化学酸と塩基）
中和の量的関係（高校化学酸と塩基）

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原子・分子と化学式（中学理科化学分野の用語と知識）
イオンと電離・電解質（中学理科化学分野の用語と知識）
酸・アルカリと中和・指示薬（中学理科化学分野の用語と知識）
酸・塩基の価数と強弱（高校化学酸と塩基）
塩の分類と水溶液の液性（高校化学酸と塩基）
ちょうど中和する体積（中学理科化学変化とイオン）
原子量・分子量・式量（高校化学物質量と化学反応式）
物質量と質量・粒子の数（高校化学物質量と化学反応式）
モル濃度（高校化学物質量と化学反応式）
中和の量的関係（高校化学酸と塩基）

説明

中和滴定で、加えた液の体積を横軸、混合液の pH を縦軸にとったグラフを滴定曲線といいます。この技能では、滴定する酸と塩基が強いか弱いかの組み合わせから、中和点（ちょうど中和した点）が酸性・中性・塩基性のどれになるか、滴定曲線の pH が急に変わる部分がどのあたりにくるかを判定し、指示薬としてフェノールフタレインとメチルオレンジのどちらが使えるかを選べるようになります。中和滴定の実験を計画するときや、実験の結果を読み取るときに使います。

なぜそうしてよいのか

中和点では、酸と塩基がちょうど反応して塩と水だけになっています。つまり中和点の混合液は「塩の水溶液」なので、その pH は前提の技能で学んだ塩の水溶液の液性で決まります。強酸＋強塩基なら中和点はほぼ中性（pH 7 付近）、弱酸＋強塩基（例： $C H_{3} COOH$ と $NaOH$ ）なら中和点は塩基性、強酸＋弱塩基（例： $HCl$ と $N H_{3}$ ）なら中和点は酸性です。

中和点の直前と直後では、加えるわずか 1 滴ほどで、残っていた酸（または塩基）がなくなり、逆に加えた塩基（または酸）が余り始めます。そのため中和点の前後で pH が急に大きく変わり、滴定曲線はほぼ垂直に立ち上がります（この部分を pH の急変部分（pH ジャンプ）とよびます）。この急変部分は中和点の pH を含むので、中和点が塩基性なら急変部分は塩基性側に、酸性なら酸性側にかたよります。強酸と強塩基の組み合わせでは急変部分が酸性側から塩基性側まで（おおよそ pH 3〜11）広くまたがります。強い側がない弱酸と弱塩基の組み合わせでは、はっきりした急変部分が現れません。

指示薬は、決まった pH の範囲（変色域）で色が変わる物質です。フェノールフタレインの変色域は pH 約 8.0〜9.8（無色→赤色）、メチルオレンジの変色域は pH 約 3.1〜4.4（赤色→黄色）です。指示薬の色が変わる体積が中和点の体積とほぼ一致するためには、変色域が pH の急変部分の中に入っていなければなりません。だから、急変部分が塩基性側ならフェノールフタレイン、酸性側ならメチルオレンジ、両方にまたがるならどちらでも使える、という選び方になります。

手順

滴定する酸と塩基が、それぞれ強酸・弱酸、強塩基・弱塩基のどれかを判定する
中和点でできる塩の水溶液の液性から、中和点が酸性・中性・塩基性のどれかを判定する（強酸＋強塩基 → 中性、弱酸＋強塩基 → 塩基性、強酸＋弱塩基 → 酸性）
pH の急変部分の位置を決める（強酸＋強塩基 → 酸性側から塩基性側まで広い、弱酸＋強塩基 → 塩基性側、強酸＋弱塩基 → 酸性側、弱酸＋弱塩基 → はっきりした急変部分がない）
変色域が急変部分に入る指示薬を選ぶ（塩基性側 → フェノールフタレイン（pH 約 8.0〜9.8）、酸性側 → メチルオレンジ（pH 約 3.1〜4.4）、両方にまたがる → どちらも使える）

例題

濃度不明のアンモニア水 10.0 mL を、0.10 mol/L の塩酸で滴定して濃度を求めたい。中和点を知るための指示薬として最も適切なものを、次のア〜エから 1 つ選べ。ただし、フェノールフタレインの変色域は pH 8.0〜9.8、メチルオレンジの変色域は pH 3.1〜4.4 とする。
ア　フェノールフタレインだけが使える
イ　メチルオレンジだけが使える
ウ　フェノールフタレインとメチルオレンジのどちらも使える
エ　フェノールフタレインとメチルオレンジのどちらも使えない

例題の解答

手順 1：塩酸 $HCl$ は強酸、アンモニア $N H_{3}$ は弱塩基。

手順 2：中和点では塩化アンモニウム $N H_{4} Cl$ の水溶液になる。強酸＋弱塩基の正塩なので、 $N H_{4}^{+} + H_{2} O ⇄ N H_{3} + H_{3} O^{+}$ により中和点は酸性。

手順 3：pH の急変部分は中和点の pH を含むので、酸性側にかたよる。

手順 4：変色域が酸性側にあるメチルオレンジ（pH 3.1〜4.4）は急変部分に入るので使える。フェノールフタレイン（pH 8.0〜9.8）は塩基性側で、中和点よりかなり手前（アンモニアがまだ残っているところ）で色が変わってしまうので使えない。

よって答えはイ。

答え:

イ

よくある誤り

中和点はいつも中性（pH 7）になると考え、 $C H_{3} COOH$ を $NaOH$ で滴定するときの中和点を pH 7 としてしまう誤り。正しくは中和点は $C H_{3} COONa$ の水溶液なので塩基性で、フェノールフタレインを使う。
指示薬を「酸性の溶液にはメチルオレンジ」のように、はじめの溶液の液性で選んでしまう誤り。酢酸水溶液（酸性）を $NaOH$ で滴定するときにメチルオレンジを選んでしまうが、正しくは中和点の液性（塩基性）で選ぶのでフェノールフタレイン。
強酸＋弱塩基と弱酸＋強塩基で、急変部分のかたよる側を逆にしてしまう誤り。 $HCl$ と $N H_{3}$ の滴定でフェノールフタレインを選んでしまうが、正しくは中和点が酸性（ $N H_{4} Cl$ の水溶液）なのでメチルオレンジ。
強酸と強塩基の滴定では指示薬を 1 つに決めなければならないと考えてしまう誤り。 $HCl$ を $NaOH$ で滴定する場合、急変部分がおおよそ pH 3〜11 に広がるので、正しくはフェノールフタレイン・メチルオレンジのどちらも使える。

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

難易度 1（教科書の例題レベル）
次の (1)〜(4) は、ビュレットから滴下する水溶液と、コニカルビーカーに入れた水溶液の組み合わせで、それぞれ中和滴定を行ったものである。どの水溶液の濃度も $0.10 mol/L$ である。各滴定で、中和点付近で pH が急激に変化した範囲（pH ジャンプの範囲）を、あわせて示す。
(1) 塩酸 $HCl$ に水酸化ナトリウム $NaOH$ 水溶液を滴下する。pH ジャンプの範囲は pH $4.0$ 〜 $10.0$
(2) 酢酸 $C H_{3} COOH$ 水溶液に水酸化ナトリウム $NaOH$ 水溶液を滴下する。pH ジャンプの範囲は pH $7.5$ 〜 $10.0$
(3) アンモニア $N H_{3}$ 水に塩酸 $HCl$ を滴下する。pH ジャンプの範囲は pH $4.0$ 〜 $6.5$
(4) シュウ酸 $(COOH)_{2}$ 水溶液に水酸化カリウム $KOH$ 水溶液を滴下する（2 段階目の中和点）。pH ジャンプの範囲は pH $7.5$ 〜 $10.0$
フェノールフタレインの変色域は pH $8.0$ 〜 $9.8$ 、メチルオレンジの変色域は pH $3.1$ 〜 $4.4$ とする。指示薬は、その変色域が pH ジャンプの範囲と重なる（共通の pH の値をもつ）ときに使え、重ならないときは使えないものとする。
(1)〜(4) のうち、指示薬としてフェノールフタレインは使えるが、メチルオレンジは使えないものはいくつあるか。その個数を求めよ。

この技能の次に学べること

炭酸ナトリウムの二段階中和（高校化学酸と塩基）
酸塩基滴定曲線と当量点の pH （大学化学分析化学）