塩化ナトリウム を水 に溶かした水溶液がある。この水溶液の凝固点降下度は何 K か。有効数字 2 桁で答えよ。ただし、水のモル凝固点降下は とし、水溶液中で は完全に電離しているものとする。また、この水溶液は希薄溶液とみなす。
電解質溶液の粒子の数
電解質が電離して粒子の数が増えること(例: NaCl は 1 mol から 2 mol の粒子)を使って、電解質や複数の溶質を含む溶液の溶質粒子の質量モル濃度・モル濃度を求め、凝固点降下度・沸点上昇度・浸透圧を求められる
前提
- 沸点上昇と凝固点降下 (高校化学 溶液の性質)
- 浸透圧(ファントホッフの法則) (高校化学 溶液の性質)
- 化学式に含まれる原子・イオンの数 (高校化学 物質量と化学反応式)
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- 沸点上昇と凝固点降下 (高校化学 溶液の性質)
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- 浸透圧(ファントホッフの法則) (高校化学 溶液の性質)
- 化学式に含まれる原子・イオンの数 (高校化学 物質量と化学反応式)
説明
塩化ナトリウムのような電解質は、水に溶けると陽イオンと陰イオンに分かれる(電離する)ので、溶かした物質量よりも溶液中の粒子の物質量が多くなります。凝固点降下度・沸点上昇度・浸透圧は溶質粒子の数で決まるので、この技能では、電離で増えた粒子の数(や、複数の溶質の粒子の合計)を数えて、粒子の質量モル濃度・モル濃度を求め、これらの値を計算できるようになります。融雪剤の効き目や、生理食塩水の浸透圧を考える場面で使います。
なぜそうしてよいのか
凝固点降下・沸点上昇・浸透圧は、溶媒の中にまじっている溶質の「粒子」が、溶媒の蒸発や凝固をじゃましたり、半透膜を通る溶媒の流れに影響したりすることで起こります。その大きさは、粒子が分子かイオンかには関係なく、粒子の数(物質量)だけで決まります。
1 mol が水中で完全に電離すると により 1 mol と 1 mol、合わせて 2 mol の粒子になります。 なら 1 mol と 2 mol で 3 mol です。そこで や の や に、溶かした物質の濃度ではなく「溶けているすべての粒子の濃度」を入れればよいのです。
溶質が 2 種類以上あるときも同じで、それぞれの溶質から生じる粒子の物質量を足し合わせて濃度を求めます。なお、ここでは問題文で「完全に電離する」とされた場合を扱います。電離しない非電解質は、1 mol がそのまま 1 mol の粒子です。
手順
溶かした各溶質の物質量を求める:
電離の式から、溶質 1 mol あたりの粒子の物質量を数える(例: は 2 mol、 は 3 mol、非電解質は 1 mol)
すべての溶質について粒子の物質量を足し合わせる:
粒子の濃度を求める。凝固点・沸点なら質量モル濃度 、浸透圧ならモル濃度
または に代入して求め、指定された有効数字に丸める
例題
塩化カルシウム 1.11 g を水 200 g に溶かした水溶液の凝固点降下度は何 K か。有効数字 2 桁で求めよ。ただし、塩化カルシウムは水中で完全に電離するものとし、水のモル凝固点降下は 1.85 K·kg/mol、原子量は 、 とする。
例題の解答
手順 1: の式量は なので、物質量は mol。
手順 2: より、1 mol から 3 mol の粒子が生じる。
手順 3: 粒子の物質量は mol。
手順 4: 水 200 g kg なので、粒子の質量モル濃度は mol/kg。
手順 5: K。有効数字 2 桁で 0.28 K。
答え:
よくある誤り
電離を考えず、溶かした物質の濃度をそのまま使ってしまう誤り。例で mol/kg、 K としてしまう。正しくは粒子は 3 倍なので mol/kg、 K。
の粒子数を 2 としてしまう誤り(「陽イオンと陰イオンの 2 種類」と数えてしまう)。種類ではなく個数を数えるので、 1 個と 2 個で 3 個。同様に は 3 個、 は 5 個。
複数の溶質を含む溶液で、一方の溶質の粒子だけで計算してしまう誤り。例えば 0.010 mol とグルコース 0.010 mol を溶かしたなら、粒子は mol と合計する。
非電解質のグルコースやスクロースまで電離すると考えて粒子数を増やしてしまう誤り。非電解質は電離しないので、1 mol は 1 mol の粒子のまま。
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
この技能を使う問題
塩化ナトリウム を水に溶かして とした水溶液がある。この水溶液の における浸透圧は何 Pa か。有効数字 2 桁で求めよ。ただし、原子量は , 、気体定数は とし、 は とする。また、水溶液中で は完全に電離し、溶液は希薄溶液としてファントホッフの法則が成り立つものとする。
塩化カルシウム を水 に溶かした水溶液の凝固点は何 か。有効数字 2 桁で求めよ。
ただし、水の凝固点は 、水のモル凝固点降下は とし、 は水溶液中で完全に電離するものとする。凝固点降下度は溶質粒子の質量モル濃度に比例するものとし、原子量は 、 とする。
塩化ナトリウム とグルコース を水 に溶かした水溶液がある。この水溶液をゆっくり冷却していったところ、やがて氷が析出しはじめ、さらに冷却を続けて温度を に保ち、氷と水溶液が共存する平衡の状態にした。このとき析出している氷の質量は何 g か。有効数字 2 桁で求めよ。
ただし、水の凝固点は 、水のモル凝固点降下は とし、 は水溶液中で完全に電離し、グルコースは電離しないものとする。析出する氷は純粋な水からなり、溶質は析出しないものとする。凝固点降下度は溶質粒子の質量モル濃度に比例するものとし、原子量は 、、、、 とする。
塩化バリウム を水 に溶かした水溶液に、硫酸ナトリウム の無水物 を加えて溶かしたところ、硫酸バリウム の白色沈殿が生じた。沈殿をろ過で取り除いたろ液の沸点上昇度は何 K か。有効数字 2 桁で求めよ。
ただし、、 および生じた水溶液中の塩は完全に電離しているものとし、 の沈殿は水に溶けないものとする。沈殿の生成とろ過の操作によって水の質量は変わらないものとし、水の蒸発は無視する。水のモル沸点上昇は とし、沸点上昇度は溶質粒子の質量モル濃度に比例するものとする。原子量は 、、、、 とする。
この技能の次に学べること
- 冷却による氷の析出と溶液の濃縮 (高校化学 溶液の性質)