中和と指示薬の色、硫酸バリウムの沈殿量の変化（２０２１年北海道）
硫酸、塩酸と水酸化バリウムの反応
水溶液の性質を調べるため、うすい硫酸が40cm³入っているビーカーAとうすい塩酸が40cm³ 入っているビーカーBを2組用意し、うすい水酸化バリウム水溶液を用いて,次の実験を行った。
実験1
[1] 1組目のピーカーA,Bそれぞれに,BTB溶液を数滴加えたところ、いずれも水溶液は黄色になった。
[2] 図1のように, [1]のA, Bそれぞれに、うすい水酸化 酸化バリウム水溶液を少 しずつ加えた。Aは白い 沈殿が生じ、20cm³加えたところで水溶液が緑色 になったので,加えるのをやめた。Bは沈殿ができず,30cm³加えたところで水溶液が緑色になったので、加えるのをやめた。
[3] さらに,A,Bそれぞれに、うすい水酸化バリウム水溶液を10cm³加えると,いずれの水溶液も青色になった。
[4] Aのうすい硫酸が反応して生じた沈殿をすべて取り出し、質量をはかると0.5g であった。
ＢＴＢ溶液の色の変化からわかること
(1) 次の文について,①②に当てはまる語句を,それぞれ書きなさい。
[1]において, ビーカーA,Bの水溶液がどちらも黄色になったことから,A,Bに共 通して含まれるイオンは①（ ）イオンと考えられる。
[2]において,A,Bの水溶液が それぞれ緑色に変化したとき、この①（ ）イオンと、加えたうすい水酸化バリウム水溶 液に含まれている②（ ）イオンとが,すべて結びついて水になったと考えられる。
Ａの硫酸と水酸化バリウムとの反応を考える
Ｈ₂ＳＯ₄ ＋ Ｂａ（ＯＨ）₂ → ＢａＳＯ₄ ＋ ２Ｈ₂Ｏ
この反応は
Ｈ₂ＳＯ₄ →２Ｈ⁺ ＋ ＳＯ₄²⁻
Ｂａ（ＯＨ）₂ →Ｂａ²⁺ ＋ ２ＯＨ⁻
Ｂａ²⁺ ＋ ＳＯ₄²⁻ → ＢａＳＯ₄
硫酸バリウムは沈殿する。
２Ｈ⁺ ＋ ２ＯＨ⁻ → ２Ｈ₂Ｏ
水素イオンと水酸化物イオンは反応して水になる
化学反応式は簡単な整数比になるので
化学反応式では
Ｈ⁺ ＋ ＯＨ⁻ → Ｈ₂Ｏ
水素イオン 水酸化物イオン 水
が起こっている。
Ｂの塩酸と水酸化バリウムの反応を考える
Ｈｃｌ Ｂａ（ＯＨ）₂ ＢａＣＬ₂ Ｈ₂Ｏ
塩酸と水酸化バリウムの反応の係数を合わせ
（ ）ＨＣｌ ＋（ ）Ｂａ（ＯＨ）₂→（ ）ＢａＣｌ₂＋（ ）Ｈ₂Ｏ
反応前と反応後の原子の種類の表を作る
| （ ）HCl | （ ）Ba(OH)₂ | （ ）BaCl₂ | （ ）Ｈ₂Ｏ | |
| H | ||||
| Cl | ||||
| Ba | ||||
| O |
この表の中で最初はBa(OH)₂の係数を１として考える。
ＨＣｌを１としたとき、右辺が分数になるので考えにくくなるので簡単になるように
Ｂａ（ＯＨ）₂を１とする。
| （ ）HCl | （1 ）Ba(OH)₂ | （ ）BaCl₂ | （ ）Ｈ₂Ｏ | |
| H | 2 | |||
| Cl | ||||
| Ba | 1 | |||
| O | 2 |
Ｂａは左辺と右辺に一つしかないとすると。右辺のＢａＣｌ₂の係数も１と決まる。
すると次の表ができる
| （ ）HCl | （1 ）Ba(OH)₂ | （ 1 ）BaCl₂ | （ ）Ｈ₂Ｏ | |
| H | 2 | |||
| Cl | 2 | |||
| Ba | 1 | 1 | ||
| O | 2 |
ここで右辺のＣｌの数が２と決まったので左辺のＣｌも２ときまる。
すると次の表ができて、ＨＣｌの係数が２となる
| （2 ）HCl | （1 ）Ba(OH)₂ | （ 1 ）BaCl₂ | （ ）Ｈ₂Ｏ | |
| H | 2 | 2 | ||
| Cl | 2 | 2 | ||
| Ba | 1 | 1 | ||
| O | 2 |
すると、左辺のＨの数が４個と決まるので右辺のＨ₂Ｏの係数は２となる。
| （2 ）HCl | （1 ）Ba(OH)₂ | （ 1 ）BaCl₂ | （ 2 ）Ｈ₂Ｏ | |
| H | 2 | 2 | 4 | |
| Cl | 2 | 2 | ||
| Ba | 1 | 1 | ||
| O | 2 | 2 |
これで、左辺と右辺の原子の種類と数が一致したので化学反応式を作る。
２Ｈｃｌ＋１Ｂａ（ＯＨ）₂→１Ｂa（ＯＨ）₂＋２Ｈ₂Ｏ
ここで１を省略して
２ＨＣｌ＋Ｂａ（ＯＨ）₂→ＢａＣｌ₂＋２ＨＣｌ
塩化物イオン ﾊﾞﾘｳﾑｲｵﾝ 塩化バリウム
２Ｃｌ ⁻＋Ｂａ²⁺ → ＢａＣｌ₂
ここで、塩化バリウムは水に溶けるので沈殿は生じない
水素イオン 水酸化物イオン
２Ｈ⁺ ＋ ２ＯＨ⁻ → ２Ｈ₂Ｏ
このように二つの反応を化学反応式にしてから問題を見る
[1]において, ビーカーA,Bの水溶液がどちらも黄色になったことから,A,Bに共 通して含まれるイオンは①（ ）イオンと考えられる。
[2]において,A,Bの水溶液が それぞれ緑色に変化したとき、この①（ ）イオンと、加えたうすい水酸化バリウム水溶 液に含まれている②（ ）イオンとが,すべて結びついて水になったと考えられる。
[1]はまだ何も反応させていないＡ硫酸 Ｂ塩酸にＢＴＢ溶液を加えたのだから、それで色が変わったのは水素イオンによって酸性を示したためである。
①は 水素
と入る。
ＢＴＢ溶液が緑色になったということは。中性である。
中性のとき、反応溶液の中にはＨ⁺とＯＨ⁻が余計にない状態である。
水酸化バリウム水溶液に含まれているのはＢａ²⁺ とＯＨ⁻でＢＴＢ溶液の色を変える働きがあるのはＯＨ⁻だから、
②水酸化物
が入る
①水素 イオン と②水酸化物 イオンが反応すると水になるので。
この文章は完成する。
フェノールフタレインを加えて反応を見る
(2) 次の文の①~③の空欄に当てはまるものを,それぞれア,イから選びなさい。
ビーカーBにおいて,BTB溶液の代わりにフェノールフタレイン溶液を用いて実験を 行った場合,うすい水酸化バリウム水溶液を加える量が①（ア 20cm³ イ30cm³}を 超えると②（ア無色 イ黄色）から③（ ア赤色 イ青色）に変化すると考え られる。
ビーカーＢは塩酸で始めは酸性で黄色だが、水酸化バリウムを３０cm³加えたところで緑色になるということは、３０cm³で中性になったということである。
フェノールフタレインは酸性、中性で無色、アルカリ性で赤くなる。
水酸化バリウムを３０cm³加えるところまでは無色である。よって①イ
②ア ③ア
となる。
硫酸バリウムの質量の変化
(3) [4]について、ビーカーAに加えたうすい水酸化バリウム水溶液の体積と、生じた沈殿 の質量の関係を表したグラフとして,最も適当なものを,ア~カから選びなさい。
硫酸に水酸化バリウムを加えていくと水酸化バリウムが２０ｃｍ³のときまで、SO₄²⁻の中の硫酸イオンと反応して硫酸バリウムが生じるが、２０cm³を超えるとそれ以上の硫酸バリウムは生じない。
最大0.5ｇの沈殿が生じる。
加えた水溶液が２０cm³のときまで硫酸バリウムの沈殿が生じ。最大が0.5ｇというのを表しているのはウである。
アのグラフは沈殿が0.5ｇ以上できているので間違い
イ、カは沈殿が減少しているので間違い
エ、オは沈殿が一定の量になる加えた水溶液の体積が２０cm³でないから間違いである。
ポイント
塩酸と硫酸という違う種類の酸と水酸化バリウムの反応の実験である。
酸の種類が違っても酸は水素イオンを持っていればＢＴＢ溶液を黄色にし、水酸化バリウムのようなアルカリと反応して水素イオンを失い、中性になる。
ＡとＢで中世に要するまでに加えた水酸化バリウムの体積が異なるのは、Ａ、Ｂに含まれる水素イオンの数が
Ａの水素イオンは水酸化バリウム３０ｃｍ³で完全に打ち消される
Ｂの水素イオンは水酸化バリウム２０ｃｍ³で完全に打ち消される
ということだから、Ａの方がＢよりも多くの水素イオンがあるということである。
水素イオンの量は反応した水酸化バリウムが３０cm³は２０cm³の３０÷２０＝1.5倍なので1.5倍含まれている。
中学校では質量パーセント濃度だけを扱うので、水素イオンの数が何倍含まれているかという問題以上は出題されない。
高校レベルでは、塩酸は硫酸の何倍の個数が入っているかということを聞かれる。
硫酸の水素イオンは塩酸の1.5倍であるが硫酸は１つの分子の中に水素原子が２個、塩酸は水素原子が１つの分子の中に１つ入っているから
分子の個数では
Ａの中の水素イオン：Ｂの中の水素イオン＝3：2
Ａの中の硫酸分子：Ｂの中の塩酸分子＝1.5：2＝3：4
という関係がある。高校レベルの硫酸分子の個数は塩酸分子の個数の０．７５倍である。
というのは今まで聞かれてこなかった問題であるが２０２１年に学習指導要領が本格実施され、２０２１年にその前段階となる問題が北海道で出題されていることから今後出る可能性がある。
