弱酸の遊離・揮発性の酸の遊離

弱酸の塩＋強酸→弱酸の遊離、揮発性の酸の塩＋不揮発性の酸→揮発性の酸の遊離の反応を見分け、発生する物質を判定できる（例: $CaC O_{3}$ と塩酸で $C O_{2}$ ）

前提

酸・塩基の価数・強弱と電離度（高校化学酸と塩基（知識））

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酸・塩基の価数・強弱と電離度（高校化学酸と塩基（知識））

説明

塩に酸を加えると、塩の中にあった別の酸が取り出される（遊離する）反応が起こることがあります。代表的なのは、弱酸の塩に強酸を加えると弱酸が遊離する反応（例：石灰石 $CaC O_{3}$ に塩酸を加えると $C O_{2}$ が発生する）と、揮発性の酸の塩に不揮発性の酸を加えて加熱すると揮発性の酸が遊離する反応（例：塩化ナトリウムに濃硫酸を加えて加熱すると塩化水素が発生する）の 2 つです。この技能では、反応がどちらの型かを見分け、何が発生するかを判定できるようになります。気体の実験室での発生方法を考えるときに使います。

なぜそうしてよいのか

弱酸の遊離は、酸の強弱（電離度の違い）で説明できます。強酸は水溶液中でほぼすべて電離して $H^{+}$ を出しますが、弱酸は電離度が小さく、分子のまま存在するほうが多い物質です。弱酸の陰イオン（たとえば $C H_{3} CO O^{-}$ ）を含む塩の水溶液に強酸を加えると、強酸から出た $H^{+}$ が弱酸の陰イオンと結びつき、電離しにくい弱酸の分子になります。 $C H_{3} COONa + HCl \to C H_{3} COOH + NaCl$ 炭酸 $H_{2} C O_{3}$ は不安定で $H_{2} O$ と $C O_{2}$ に分かれるので、炭酸塩に強酸を加えると $C O_{2}$ が発生します。 $CaC O_{3} + 2HCl \to CaC l_{2} + H_{2} O + C O_{2}$ 同様に、硫化鉄(II) に希硫酸を加えると弱酸の硫化水素 $H_{2} S$ が発生します（ $FeS + H_{2} S O_{4} \to FeS O_{4} + H_{2} S$ ）。つまり「強い酸が、弱い酸を塩から追い出す」形です。逆に、強酸の塩に弱酸を加えても、強酸は遊離しません。

揮発性の酸の遊離は、強弱ではなく「蒸発しやすさ」で説明します。塩化水素 $HCl$ や硝酸 $HN O_{3}$ は沸点が低く気体になりやすい（揮発性の）酸で、濃硫酸 $H_{2} S O_{4}$ は沸点が高く気体になりにくい（不揮発性の）酸です。揮発性の酸の塩に濃硫酸を加えて加熱すると、できた揮発性の酸が気体となって反応する場所から出ていくので、反応が進み続けます。 $NaCl + H_{2} S O_{4} \to NaHS O_{4} + HCl$ $NaN O_{3} + H_{2} S O_{4} \to NaHS O_{4} + HN O_{3}$ $HCl$ も $H_{2} S O_{4}$ も強酸なので、この反応は「強い酸が弱い酸を追い出す」では説明できない、という点が弱酸の遊離との違いです。

手順

加えるもの 2 つを、「塩」と「酸」に分ける。塩については、どの酸の陰イオンを含むか（ $C O_{3}^{2 -}$ なら炭酸、 $C H_{3} CO O^{-}$ なら酢酸、 $S^{2 -}$ なら硫化水素、 $C l^{-}$ なら塩化水素、 $N O_{3}^{-}$ なら硝酸）を確認する。
塩のもとの酸が弱酸（炭酸・酢酸・硫化水素など）で、加える酸が強酸（塩酸・硫酸・硝酸など）なら、弱酸の遊離と判定する。
塩のもとの酸が揮発性の酸（塩化水素・硝酸など）で、加える酸が不揮発性の濃硫酸で加熱するなら、揮発性の酸の遊離と判定する。
遊離する酸を答える。炭酸塩からは $H_{2} C O_{3}$ が分かれて $C O_{2}$ （と $H_{2} O$ ）、酢酸塩からは $C H_{3} COOH$ 、硫化物からは $H_{2} S$ 、塩化物からは $HCl$ 、硝酸塩からは $HN O_{3}$ 。
必要なら反応式を書いて確かめる。塩の陽イオンは、加えた酸の陰イオンと新しい塩をつくる（例： $CaC O_{3} + 2HCl \to CaC l_{2} + H_{2} O + C O_{2}$ ）。

例題

塩化ナトリウムに濃硫酸を加えて加熱したときに発生する気体として正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
ア　塩素
イ　塩化水素
ウ　水素
エ　二酸化炭素

例題の解答

手順 1：塩は $NaCl$ で、陰イオン $C l^{-}$ のもとの酸は塩化水素 $HCl$ 。加える酸は濃硫酸。
手順 3： $HCl$ は揮発性の酸、濃硫酸は不揮発性の酸で、加熱しているので、揮発性の酸の遊離と判定する（ $HCl$ も強酸なので、弱酸の遊離ではない）。
手順 4：塩化物から遊離するのは $HCl$ 。
手順 5：反応式は $NaCl + H_{2} S O_{4} \to NaHS O_{4} + HCl$ で、塩化水素が気体として発生する。
塩素 $C l_{2}$ や水素 $H_{2}$ はこの反応ではできず、炭素を含む物質がないので二酸化炭素もできない。よって答えはイ。

答え:

イ

よくある誤り

塩化ナトリウムに濃硫酸を加えると $HCl$ が出るのは、硫酸が塩酸より強い酸だからだとしてしまう誤り。正しくは、 $HCl$ も $H_{2} S O_{4}$ も強酸であり、 $NaCl + H_{2} S O_{4} \to NaHS O_{4} + HCl$ が進むのは、揮発性の $HCl$ が気体として出ていくからである。
炭酸塩に強酸を加えると $H_{2} C O_{3}$ が気体として出てくるとしてしまう誤り。正しくは、炭酸は不安定で $H_{2} C O_{3} \to H_{2} O + C O_{2}$ と分かれるので、発生する気体は $C O_{2}$ である（例： $CaC O_{3} + 2HCl \to CaC l_{2} + H_{2} O + C O_{2}$ ）。
強酸の塩に弱酸を加えても強酸が遊離するとしてしまう誤り。たとえば $NaCl$ に酢酸を加えても $HCl$ は遊離しない。正しくは、弱酸の遊離は「弱酸の塩＋強酸 → 弱酸＋強酸の塩」の向きにだけ進む。
炭酸塩と塩酸の反応で発生する気体を水素 $H_{2}$ としてしまう誤り。正しくは、水素が発生するのは亜鉛などの金属と酸の反応であり、炭酸塩と強酸からは $C O_{2}$ が発生する。

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）
酢酸ナトリウム $C H_{3} COONa$ の水溶液に塩酸を加えたところ、刺激臭のある物質が生じた。このとき生じた物質として最も適当なものを、次のア〜エから 1 つ選べ。
- ア　水素
- イ　水酸化ナトリウム
- ウ　酢酸
- エ　二酸化炭素

この技能を使う問題

	a	b
ア	水素	不揮発性
イ	二酸化硫黄	揮発性
ウ	硫化水素	不揮発性
エ	水素	揮発性
オ	硫化水素	揮発性
カ	二酸化硫黄	不揮発性

	a	b
ア	水素	揮発性の酸
イ	二酸化炭素	弱酸
ウ	水素	不揮発性の酸
エ	二酸化炭素	不揮発性の酸
オ	二酸化炭素	揮発性の酸
カ	水素	弱酸

この技能の次に学べること

気体の製法・捕集方法・乾燥剤（高校化学無機物質（知識））
フェノール類の性質と反応（高校化学有機化合物（知識））
カルボン酸とエステル（高校化学有機化合物（知識））