答　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　元の問題へ　　


問1の答　　　　　　　H₂X + 2NaOH → Na₂X + 2H₂O


●　固体の弱酸 H₂X は水中で電離される。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　H₂X(固) + aq ⇄ 2H⁺(aq) + X^2-(aq)　…(1)

●　固体水酸化ナトリウムは水中でイオンとして存在する。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　NaOH(固) + aq → Na⁺(aq) + OH^-(aq)　…(2)

●　その溶液中の水素イオンはその水酸化物イオンと反応して次のように中和する。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2H⁺(aq) + 2OH^-(aq) → 2H₂O(液)　…(3)

●　上式(1), (2)および(3)を１つのバランスされた式にまとめると,

　　　　　　　　　　　　　　　H₂X(固) + 2NaOH(固) → X^2-(aq) + 2Na⁺(aq) + 2H₂O(液)

　そして簡潔に書くと,

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　H₂X + 2NaOH → Na₂X + 2H₂O


Answer of Q1　　　　　　H₂X + 2NaOH → Na₂X + 2H₂O


●　A weak acid H₂X of solid is dissociated in water.

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　H₂X(s) + aq ⇄ 2H⁺(aq) + X^2-(aq)　…(1)

●　Solid sodium hydroxide exists as ions in water.

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　NaOH(s) + aq → Na⁺(aq) + OH^-(aq)　…(2)

●　The hydrogen ions in the solution react with the hydroxide ions to neutralize as follows.

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2H⁺(aq) + 2OH^-(aq) → 2H₂O(l)　…(3)

●　Put the equations above, (1), (2) and (3) in a balanced equation, so

　　　　　　　　　　　　　　　　H₂X(s) + 2NaOH(s) → X^2-(aq) + 2Na⁺(aq) + 2H₂O(l)

　and write briefly,

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　H₂X + 2NaOH → Na₂X + 2H₂O


問2

(i) の答　　　　　　2.50×10^-3 [mol]


　水酸化ナトリウム溶液の濃度は

　　　　　　　　　　　　　0.100 mol dm^-3 = 0.100 mol (10 cm)^-3 = 1.00×10^-4 mol cm^-3

　 そこで, 25.0 cm³ の水酸化ナトリウム溶液のモル数は次のように計算される。

　　　　　　　　　　　　　25.0 [cm³]×1.00×10^-4 [mol cm^-3] = 25.0×10^-4 [mol]

　　　　　　　　　　　　　= 2.50×10^-3 [mol]


Q2

Answer of (i)　　　　　　2.50×10^-3 [mol]


　The concentration of sodium hydroxide solution is

　　　　　　　　　　　　　0.100 mol dm^-3 = 0.100 mol (10 cm)^-3 = 1.00×10^-4 mol cm^-3

　so, the number of moles of sodium hydroxide in 25 cm³ is calculate as follows.

　　　　　　　　　　　　　25.0 [cm³]×1.00×10^-4 [mol cm^-3] = 25.0×10^-4 [mol]

　　　　　　　　　　　　　= 2.50×10^-3 [mol]


(ii) の答　　　　　　1.25×10^-3 [mol]


　H₂X の NaOH に対するモル比は, 問1の答の式を考慮すると, 次のように表わされる。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　n(H₂X) ： n(NaOH) = 1 ： 2

　問2(i)の答は H₂X と完全に中和される NaOH のモル数を意味する。そこで上のモル比と問2(i)の答を使用するとその反応に関与する H₂X のモル数 n(H₂X) は,

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　n(H₂X) = (1/2)×(2.50×10^-3)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　= 1.25×10^-3 [mol]


Answer of (ii)　　　　　　　1.25×10^-3 [mol]


　Consider the equation of the answer of Q1, and so the molar ratios of H₂X to NaOH are represented as follows.

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　n(H₂X) ： n(NaOH) = 1 ： 2

　The answer of Q2(i) is the number of moles of NaOH which was completely neutralized with H₂X. So using the molar ratios above and the answer of Q2(i), the number of moles of H₂X taken part in the reaction, n(H₂X), is

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　n(H₂X) = (1/2)×(2.50×10^-3)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　= 1.25×10^-3 [mol]


(iii)の答　　　　　　　90.0


　弱酸 H₂X の溶液が 2.25 g の固体 H₂X を水に溶かすことによって作られ 500 cm³ の溶液を与えた。　そこで, 25.0 cm³ のこの溶液中の H₂X の質量は

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(25 cm³)/(500 cm³)×2.25 g = 0.1125 g

　H₂X の質量, 0.1125 g, は問2(ii)の答でのモル数 1.25×10^-3 mol に相当する。そこで H₂X の相対分子質量は次のように計算される。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(0.1125 g)/(1.25×10^-3) = 90.0 g/mol


Answer of (iii)　　　　　　　90.0


　A solution of a weak acid H₂X was made by dissolving 2.25 g of solid H₂X in water to give 500 cm³ of solution. So the mass of 25.0 cm³ of H₂X in solution is

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(25 cm³)/(500 cm³)×2.25 g = 0.1125 g

　The mass of H₂X, 0.1125 g, corresponds to the number of moles for the answer of Q2(ii), 1.25×10^-3 mol. So, the relative molecular mass of H₂X is calculated as follows.

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(0.1125 g)/(1.25×10^-3) = 90.0 g/mol


(iv)の答　　　　　　　2


　問2(ii)の答を使用すると, 無水和物酸 H₂X 溶液のモル濃度 m(H₂X) は次のように計算される。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　m(H₂X) = (1.25×10^-3 mol)/(25 cm³)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　= 5.00×10^-5 mol/cm³

　よって, 無水和物酸 H₂X の1cm³当りの質量 W(H₂X) は, m(H₂X)と問2(iii)の答を使用して

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　W(H₂X) = (5.00×10^-5 mol/cm³)×(90.0 g/mol)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　= 0.0045 g/cm³

　水和物の酸 H₂X・yH₂O は次のような平衡状態にある。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　H₂X・yH₂O ⇄ H₂X + yH₂O

　ここで, 水和物酸 H₂X・yH₂O の質量は平衡状態で解離された無水物酸 H₂X と水 H₂O の総量の質量に等しい。

　水和物酸の1cm³当りの質量 W(H₂X・yH₂O) は

　　　　　　　　　　　　W(H₂X・yH₂O) = 6.30 g dm^-3 = 6.30 g (10 cm)^-3 = 6.30×10^-3 g cm^-3

　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　= 0.0063 g/cm³

　上述の平衡式を考慮する。 W(H₂X・yH₂O) と W(H₂X) の値を使用すると, 水和物酸中の水の1cm³当りの質量 W(H₂O) は

　　　　　　　　　　　　　　　　W(H₂O) = W(H₂X・yH₂O) - W(H₂X)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　= 0.0063 g/cm³ - 0.0045 g/cm³ = 0.0018 g/cm³

　H₂O分子の相対質量は, 原子量を使用して

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2×1.00 + 1×16.0 = 18.0 g/mol

　上述のW(H₂O)と水分子の相対質量を使用すると, 水和物酸中の水のモル濃度 n(H₂O) は

　　　　　　　　　　　　　　n(H₂O) = (0.0018 g/cm³)/ (18.0 g/mol) = 1.00×10^-4 mol/cm³

　n(H₂X) ： n(H₂O) のモル比は, H₂X・yH₂O ⇄ H₂X + yH₂O において,

　　　　　　　　　　　1 ： y = (5.00×10^-5 mol/cm³) ： (1.00×10^-4 mol/cm³)

　ゆえに,

　　　　　　　　　　　　　　　y = (1.00×10^-4 mol/cm³)/(5.00×10^-5 mol/cm³)

　　　　　　　　　　　　　　　　= 2.00


Answer of (iv)　　　　　　　2


　Use the answer of Q2(ii), and so the mole concentration of the anhydrous acid H₂X, m(H₂X), is calculated as follows.

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　m(H₂X) = (1.25×10^-3 mol)/(25 cm³)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　= 5.00×10^-5 mol/cm³.

　Therefore, the mass in 1cm³ of the anhydrous acid H₂X, W(H₂X), using m(H₂X) and the answer of Q2(iii), is

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　W(H₂X) = (5.00×10^-5 mol/cm³)×(90.0 g/mol)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　= 0.0045 g/cm³

　The hydrated acid H₂X・yH₂O is in the equilibrium state,

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　H₂X・yH₂O ⇄ H₂X + yH₂O,

　where the mass of the hydrated acid H₂X・yH₂O is equal to the total mass for the anhydrous acid H₂X and the water H₂O dissociated in the equilibrium state.

　The mass in 1cm³ of the hydrated acid, W(H₂X・yH₂O), is

　　　　　　　　　　　　W(H₂X・yH₂O) = 6.30 g dm^-3 = 6.30 g (10 cm)^-3 = 6.30×10^-3 g cm^-3

　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　= 0.0063 g/cm³

　Consider the equilibrium equation above. Using the values of W(H₂X・yH₂O) and W(H₂X), the mass in 1cm³ of water in the hydrated acid, W(H₂O), is

　　　　　　　　　　　　　　　　W(H₂O) = W(H₂X・yH₂O) - W(H₂X)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　= 0.0063 g/cm³ - 0.0045 g/cm³ = 0.0018 g/cm³

　The relative mass of H₂O molecule, using the atomic weight above, is

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2×1.00 + 1×16.0 = 18.0 g/mol

　The mole concentration of water in the hydrated acid, n(H₂O), using W(H₂O) and the relative mass of water molecule above, is

　　　　　　　　　　　　　　n(H₂O) = (0.0018 g/cm³)/ (18.0 g/mol) = 1.00×10^-4 mol/cm³

　The mole ratio n(H₂X) ： n(H₂O) for H₂X・yH₂O ⇄ H₂X + yH₂O is

　　　　　　　　　　　1 ： y = (5.00×10^-5 mol/cm³) ： (1.00×10^-4 mol/cm³).

　Therefore,

　　　　　　　　　　　　　　　y = (1.00×10^-4 mol/cm³)/(5.00×10^-5 mol/cm³)

　　　　　　　　　　　　　　　　= 2.00


問3の答

　部屋の温度と圧力での測定質量の水と測定体積の空気(加熱酸化バナジウム(V)で処理されたもの)を含む密閉容器を十分振って, それから生成されたその溶液を標準の水溶水酸化ナトリウムで滴定する。


●　雨水は溶解での二酸化炭素を含むので自然的ではかなり弱い酸性である ：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　CO₂(g) + + H₂O(l) ⇄ 2H⁺(aq) + CO₃^2-(aq)

　化石燃料の燃焼は窒素と硫黄の酸化物を生じる。これらの酸化物は雨水に溶け, 上の自然のレベルのその酸度を増加させる。酸性雨は通常よりも人工的でより多くの酸性での雨を意味する。

● 空気中の二酸化硫黄は石炭や石油のような硫黄の不純物含燃料の燃焼から形成される。その二酸化硫黄が酸性雨の主な原因である。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　S₈(s) + 8O₂(g) → 8SO₂(g)

　加熱された酸化バナジウム(V)上に乾燥二酸化硫黄と空気を通すことによって, 二酸化硫黄は空気中の酸素と反応して三酸化硫黄を生じる。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　2SO₂(g) + O₂(g) → 2SO₃(g)

　三酸化硫黄は約15℃以下で固体状態にある。三酸化硫黄は水中のバリウムイオンと反応して不溶性の硫酸バリウムを与える。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　SO₃(g) + Ba²⁺(aq) + H₂O(l) → BaSO₄(s) + 2H⁺(aq)

●　二酸化硫黄は酸性気体である。それは水に溶けて亜硫酸を与える ：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　SO₂(g) → SO₂(aq)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　SO₂(aq) + H₂O(l) ⇄ H₂SO₃(aq)

●　亜硫酸は弱い二塩基酸である ：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　H₂SO₃(aq) + H₂O(l) ⇄ H₃O⁺(aq) + HSO₃^-(aq)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　HSO₃^-(aq) + H₂O(l) ⇄ H₃O⁺(aq) + SO₃^2-(aq)

●　塩基による亜硫酸の中和反応は二組の塩 (例 亜硫酸水素ナトリウムと亜硫酸ナトリウム) を形成する ：

　　　　　　　　　　　　　　　　　H₂SO₃(aq) + NaOH(aq) → NaHSO₃(aq) + H₂O(l)

　　　　　　　　　　　　　　　　　H₂SO₃(aq) + 2NaOH(aq) → Na₂SO₃(aq) + 2H₂O(l)

●　滴定はかなりの頻度で酸の塩基との反応を含む。滴定はまた酸化還元反応や沈殿反応のような酸塩基反応以外の反応も含む。

　滴定に使用される溶液の１つは標準溶液である必要があり, 溶液の濃度は正確に知られている。標準溶液は既知質量の溶質を溶媒に加えその溶液を決められている体積までにすることによってつくられる。

　滴定はその方法にそってその主要な項目を含む, すなわち：

　○　ビュレットは試料の１つの溶液を維持していること。

　○　フラスコは, ピペット使用で加えられる, 正確に知られた体積の他の試料溶液を維持していること。

　○　指示物は反応が完全であるときの目視指示(例 色変化など)を与えること。

　2つの試料の内の1つは標準溶液である必要があり他は未知濃度のものである。ビュレットは測定された体積の試料溶液をフラスコ中の他の試料溶液に加えるのに使用される。

　どんな滴定でも3つの主要行程がある。試料Aがビュレットからフラスコ中の試料Bへ加えられる滴定において,

　1　最初の行程： AとBは共に反応する。Aが消費されBは過剰で残る。

　2　当量点(中和点)： 十分なAがBに加えられフラスコ中に初めにあったBの全てを消費した。フラスコは反応の生成物だけを含んでいる。

　3　最後の行程： フラスコへより多くのAを加えることはさらなる反応を起こさない, その理由はBはすでに完全に消費されているからである。Aはいまフラスコ中で過剰である。

　ほとんど全ての滴定において, 加えられる指示物は, 2つの試料の内の1つが過剰であるときにひとつの色をもち二番目の試料が過剰であるときは他の色をもつ。


Answer of Q3　

　Shake sufficiently a tight container which contains a measured mass of water and a measured volume of air (treated with a heated vanadium(V) oxide) at room temperature and pressure, and then titrate the solution formed with standard aqueous sodium hydroxide.


●　Rain water is naturally acidic because it contains dissolved carbon dioxide ：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　CO₂(g) + + H₂O(l) ⇄ 2H⁺(aq) + CO₃^2-(aq)

　The combustion of fossil fuels produces oxides of nitrogen and sulfur. These oxides dissolve in rain water and increase its acidity above natural levels. Acid rain means rain that is artificially more acidic than normal.

●　Sulfur dioxide in air is formed from the combustion of sulfur-contaminated fuels such as coal and petroleum. The oxide is the main cause of acid rain naturally produced.

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　S₈(s) + 8O₂(g) → 8SO₂(g)

　By passing dry sulfur dioxide and air over a heated vanadium(V) oxide, sulfur dioxide reacts with oxygen in air to produce sulfur trioxide.

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　2SO₂(g) + O₂(g) → 2SO₃(g)

　Sulfur trioxide is in solid state below about 15 ℃. Sulfur trioxide reacts with barium ion in water to give insoluble barium sulfate.

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　SO₃(g) + Ba²⁺(aq) + H₂O(l) → BaSO₄(s) + 2H⁺(aq)

●　Sulfur dioxide is an acidic gas. It dissolves in water to give sulfurous acid ：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　SO₂(g) → SO₂(aq)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　SO₂(aq) + H₂O(l) ⇄ H₂SO₃(aq)

●　Sulfurous acid is a weak dibasic acid ：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　H₂SO₃(aq) + H₂O(l) ⇄ H₃O⁺(aq) + HSO₃^-(aq)

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　HSO₃^-(aq) + H₂O(l) ⇄ H₃O⁺(aq) + SO₃^2-(aq)

●　Neutralization of sulfurous acid by base forms two series of salts (e.g. sodium hydrogensulfite NaHSO₃ and sodium sulfite Na₂SO₃) ：

　　　　　　　　　　　　　　　　　H₂SO₃(aq) + NaOH(aq) → NaHSO₃(aq) + H₂O(l)

　　　　　　　　　　　　　　　　　H₂SO₃(aq) + 2NaOH(aq) → Na₂SO₃(aq) + 2H₂O(l)

●　Titrations frequently involve the reactions of acids with bases. They can also involve reactions other than acid-base reactions, such as redox reactions and reactions involving precipitations.

　One of the solutions used in a titration must be a standard solution, a solution whose concentration is accurately known. A standard solution is made by adding a known mass of solute to the solvent and making up the solution to a known volume.

　A titration follows the method and involves the major components , namely ：

　○　A burette containing a solution of one of the reagents.

　○　A flask containing an accurately known volume of the other reagent solution, added using a pipette.

　○　An indicator that gives a visual indication (e.g. a change in colour, etc) of when the reaction is complete.

　One of the two reagents must be a standard solution and the other is of unknown concentration. The burette is used to add a measured volume of one reagent solution to the other solution in the flask.

　There are three main stages to any titration. For a titration in which reagent A runs from the burette into reagent B in the flask：

　1　Initial stage： A and B react together. A is consumed and B remains in excess.

　2　Equivalence point (point of neutralization)： Sufficient A has been added to B to consume all of B initially placed in the flask. The flask contains the products of the reaction only.

　3　Final stage： Adding more A to the flask does not result in further reaction because B has already been completely consumed. A is now in excess in the flask.

　For almost all titrations, an indicator is added that has one colour when one of the two reagents is in excess and another colour when the second reagent is in excess.