可溶性

出典:米国ジョンズ・ホプキンス大学(米国メリーランド州)のSmaa Koraym

1. 飽和ソリューションの作成Expand

   この実験では、四ホウ酸ナトリウム十水和物(ホウ砂とも呼ばれる)の飽和溶液を作成します。水中では、ホウ砂は2つのナトリウムカチオンと1つの四ホウ酸アニオンに解離します。ホウ砂水溶液が飽和すると、その量の溶媒である水に対して、溶解した溶質(ホウ砂)が最大量含まれていることを意味します。追加の固形物は溶解していないように見えます。

   溶解度は温度に依存するため、各グループは異なる温度で飽和溶液を生成します。より多くのホウ砂が高温で溶解し、ホウ砂濃度の高い溶液が得られます。

   • 実験を開始する前に、白衣、化学スプラッシュゴーグル、手袋など、必要な個人用保護具を着用してください。
   • インストラクターが実験中に使用する温度を割り当てます。この温度に基づいて、テーブルを使用して飽和溶液を作成するために必要なホウ砂の量を決定します。

     温度 (°C)	ホウ砂の量 (g)
     10	4
     20	6
     30	8
     40	13
     50	21

   • 指定した温度に必要なホウ砂の量を測定します。例えば、30°Cの温度には8gのホウ砂が必要です。その質量を実験ノートに記録します。このテーブルを作成すると、データの追跡に役立ちます。

     表1:温度と体積のデータ

     指定温度(°C)
     ホウ砂質量(g)
     トライアル	溶液温度 (°C)	0.5 M HClの容量(mL)を追加
     1
     2
     3
     4
     5

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   • 150mLのビーカーに「ホウ砂溶液」をラベル付けし、ホウ砂をその中に移します。脱イオン水50mLを計量し、ビーカーに注ぎます。溶液にマグネチックスターバーを追加し、ビーカーをホットプレートにセットし、スター設定をオンにします。
   • デジタル温度計クランプを使用して、ビーカーの内側と攪拌棒の上にデジタル温度計を保持します。ビーカーを指定された温度より約10〜20°C高く加熱します。手記： 10°Cの温度を割り当てられた学生は、ホウ砂を室温で溶解させます。
   • 割り当てられたすべての温度について、400mLのビーカーに200mLの脱イオン水を加えます。次に、ガラスの温度計を水のビーカーに入れます。ビーカーをホットプレートにセットし、指定した温度より20°C高い温度に水を加熱します。手記： 10°Cの温度を割り当てられた学生は、室温の水を使用する必要があります。
   • 5つの250mL三角フラスコに「試験1から5」のラベルを付けます。ホウ砂が溶液に完全に溶解し、均一に見えるようになったら、ビーカーを攪拌板から取り外し、ベンチトップに置いて割り当てられた温度に冷却します。
   • 温度に達したら、ビーカーをペーパータオルのスタックに置いて絶縁体として機能し、一定の温度を維持します。手記： 10°Cの気温に割り当てられた生徒は、ホウ砂溶液が入ったビーカーを氷と水で満たされた大きなビーカーに入れる必要があります。
   • 別の400mLビーカーに「廃棄物」のラベルを付け、5mLのお湯を廃棄物ビーカーにピペットで入れます。これを数回繰り返してピペットを温め、ホウ砂が冷えるときにピペットが詰まるのを防ぎます。
   • ホウ砂溶液の正確な温度をノートブックに記録します。次に、ビーカーの上部から飽和ホウ砂溶液5 mLをピペットで移し、最初の250 mLの三角フラスコに分注します。ピペットがビーカーの底にある結晶化ホウ砂に接触しないようにしてください。
   • ホウ砂溶液が入った三角フラスコに5mLのお湯をピペットで入れます。残りの4つのフラスコのそれぞれについてこれを繰り返し、5 mLのホウ砂溶液と5 mLの水を加えます。ホウ砂溶液はベンチトップで冷えるため、温度に注意してください。手記： 5つのフラスコのそれぞれに移される飽和溶液の温度は、互いに2〜3°C以内である必要があります。より高い温度で作業する学生は、先に進む前に溶液を再加熱する必要がある場合があります。
2. ホウ砂溶液の滴定Expand

   これで、飽和溶液に溶解したホウ砂の量を判断できます。ホウ砂が水中で解離し、四ホウ酸イオンを形成することを示す化学反応を思い出してください。テトラホウ酸イオンは塩基であるため、中和反応後に酸と反応します。

   酸の量が四ホウ酸の量の2倍になると、溶液は中和されます。そのためには、ホウ砂溶液にHClをゆっくりと分注し、酸と塩基が反応して水と塩、そして中性のpHを形成するまで中和します。pHインジケーターのブロモクレゾールグリーンを使用して、pHが中立になると溶液が中和されたことを知らせます。これは、pHが中性のときに青色から淡い緑がかった黄色に変わるためです。

   • 滴定を開始するには、まず40mLの脱イオン水を測定し、それを三角フラスコの1つに加えます。フラスコを回して、すべてのホウ砂が溶液中にあることを確認します。他の4つのフラスコについてもこれを繰り返します。
   • 各フラスコに0.1%ブロモクレゾールグリーンを2〜3滴加えます。
   • リングスタンドにビュレットクランプをクリップし、ビュレットが垂直でできるだけまっすぐであることを確認しながら、ビュレットをクランプに固定します。ビュレットのストップコックが閉じていることを確認してください。
   • ビュレットの開放端に漏斗を置き、ビュレットに脱イオン水を入れます。ビュレットの下に廃棄物ビーカーを置き、ストップコックを開いてビュレットからすべての水を洗い流します。次に、ストップコックを閉じます。
   • インストラクターから0.5 M HClを入手し、ビュレットに10mLを注ぎます。ビュレットの側面にあるマーキングをガイドとして使用します。ビュレットのストップコックを開いて、すべてのHClが廃棄物ビーカーに排出されるようにします
   • 再びストップコックを閉じてから、ビュレットに50mLのHClを入れます。ストップコックを少し開いて、液体がビュレットの先端を満たし、気泡を取り除くようにします。
   • ラボノートにHClの初期量を記録します。
   • 最初の試行では、HClをホウ砂溶液に1mL刻みで滴定します。各添加後にフラスコを静かに回転させて、溶液が十分に混合されていることを確認します。手記： 滴定の終了点で、インジケータは溶液を水色から淡い緑がかった黄色に変えます。ソリューションが濃い黄色に変わった場合は、エンドポイントを通過したことを示します。
   • エンドポイントに到達したら、ビュレットに残っているHClの量を記録してください。
   • ビュレットを50mLのマークまで補充し、ホウ砂溶液の他のすべてのフラスコに対して滴定を繰り返します。各滴定に使用したHClの最終量を必ず記録してください。
   • 実験の後片付けをするには、400mLの廃ビーカーをビュレットの注ぎ口の下に置き、ビュレットを開いて残りのHClをビュレットに排出します。
   • ビュレットに脱イオン水を入れ、ビュレットをすすぎます。
   • 残ったホウ砂溶液を使用して、廃棄物ビーカーの酸を中和します。ビーカーの泡立ちが止まるまでビーカーを回します。
   • 廃棄物ビーカーに重曹を加え、溶液を渦巻きます。重曹を追加し、泡立ちが止まるまで溶液を渦巻き続けます。手記： ホウ砂が中和のほとんどを行うため、泡立ちが観察されない場合があります。
   • 大量の水で廃棄物ビーカーの中身をシンクに洗い流します。滴定液のホウ砂とHClが入ったフラスコは中和されているので、シンクに注ぐこともできます。
3. ResultsExpand
   • まず、水中でのホウ砂の解離に対する反応定数K_spを決定します。平均温度を摂氏で測定し、滴定の終点に到達するために使用した平均体積0.5 M HClを求めます。

     表2:ΔG、ΔH、Δ Sの決定

     > 割り当てられた温度 (°C)	Tavg (°C)	>V平均 (mL)	T平均 (K)	1/T平均 (K)	0.5 M HCl のモル	Na2[B4O5(OH)4] のモル濃度	>Ksp	>lnKsp	ΔG (kJ/mol)
     10 °C
     20 °C
     30 °C
     40 °C
     50 °C

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   • 他のグループからデータを取得して、各温度の平均HClボリュームを持つようにします。
   • 溶解度定数は、ホウ砂と水の解離反応の化学量論から決定されます。反応物は固体であるため、式には含まれません。四ホウ酸塩ごとに2つのナトリウムカチオンが形成されるため、ナトリウムの濃度は四ホウ酸塩の濃度の2倍に等しいと想定されます。したがって、式は次のように単純化できます:K_sp = 4[[B₄O₅(OH)₄]^2-]³
   • 四ホウ酸塩の濃度は、滴定の終点に到達し、塩基を中和するために使用されるHClの量から計算できます。HClのモルは、HClの体積に溶液のモル濃度を掛けたものに等しくなります。1モルの四ホウ酸塩を中和するには2モルのHClが必要なため、四ホウ酸塩のモルは簡単に計算できます。
   • 四ホウ酸塩の濃度を計算し(飽和溶液の5mL容量に基づく)、反応定数を決定します。各温度について計算を繰り返し、結果を比較します。
   • 滴定データを使用して、各温度値でのギブス自由エネルギーΔGを計算し、ホウ砂の解離が自発的な反応であるかどうかを判断します。ΔG式を思い出してください、ここで、Rはガス定数、Tはケルビン単位の溶液の温度、_KSPは反応定数です。反応定数と対応する温度を使用して、各温度のΔGを計算します。
   • ΔGが正の場合、反応は自発的ではなく、反応が進行するためには反応にエネルギーを投入する必要があることを覚えておいてください。ただΔGがマイナスの場合、反応は自然に進行します。一般に、この反応は低温では自発的ではありませんが、高温では自発的です。これは、ホウ砂が室温以下の塩結晶構造形態を好むが、特定の温度に達した後に溶液に入ることを好むという理論を裏付けています。K_sp を使用して ΔH と ΔS を計算します。
   • K_spの自然対数をケルビンで報告された1/Tの関数としてプロットします。この線の傾きは-ΔH/Rに等しいため、ΔHを計算します。ラインのインターセプトはΔS/Rに等しくなります。ΔSを決定します。
   • この反応のエンタルピーの変化は約90 kJ/molで正であるため、反応は吸熱性であり、エネルギーを吸収することを意味します。エントロピーの変化は正で、約290 J/mol・Kであり、これは無秩序の好ましい生成を示しています。これは、塩の結晶構造が壊れるためです。