高校化学

質問

高校化学の問題ですが、どうしてもわかりません。
わかる方わかり易く教えてもらえませんか。

問題

次の文章を読み、問い１～問い５に答えなさい。

試薬AのラベルにはC2H6NO2ClとNa2SO4の混合物と記入されていた。この試薬に含まれるC2H6NO2Clが何であるか確かめるために、実験(a)と(b)を行った。

(a) 試薬Aの水溶液にAgNO3水溶液を加えると白濁した。

(b) 中和滴定実験を下記のように行った。
50.0gの試薬Aをメスフラスコに入れ、水を加えて100mlとした。ここから、ホールピペットを用いて4mlをビーカーに入れ、1.00mol/LのKCl水溶液4mL、水32mLを加えた後、pH電極をセットし、かき混ぜながら、ヴュレットか ら0.100mol/LのKOH水溶液を加え、滴下量とpHをそのつど記録した。横軸が滴下量、縦軸がpHのグラフを作成した ところ、下記の滴定曲線Xが得られた。同様にして、ある濃度の塩酸の滴定曲線Yを得た。

問1 実験(a)で白濁した化合物は何か、化学式で答えなさい。

問2 実験(a)と(b)の結果から考えられる化合物C2H6NO2Clの構造式を記入しなさい。また、その理由を100字以内で記 入しなさい。

問3 中和点QのpH値は何を示しているか、語句で答えなさい。

問4 中和点Qの滴下量は、4.00mLであった。100gの試薬Aに含まれるC2H6NO2Clは何gか、有効数字3桁で答えなさ い。

問5 2.23gのC2H6NO2Clに水を加えて全量80mLにしたとき、この溶液のpHを小数点以下1桁で答えなさい。ただし、
電離定数Ka=1.00×10^(-2)moL/Lとして、計算過程も示しなさい。

回答No.2

KURUMITO · ベストアンサー

問1

塩化銀の沈澱により白濁します。

Ag^+ + Cl^- →　　ＡｇＣｌ

問2

塩素イオンが化合物から外れやすく、また、中和反応から化合物から外れやすい水素イオンがある化合物が考えられます。
グリシン化合物（H2NCH2COOH)に塩酸が付加した形の化合物 ( H3NClCH2COOH) が考えられます。詳しくは次のＵＲＬを参考にしてください。グリシンの構造式で＋の位置にＣｌ^-が‐の位置にH^+が付加した構造になっているでしょう。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B0%E3%83%AA%E3%82%B7%E3%83%B3

問3

化合物は2段階の酸の解離が行われており第1段階の比較的解離度の高い水素イオン（カルボン酸の解離による生成）が水酸化カリウムによって中和されたことによってｐＨが急激に上昇しています。

問4

4 mlはC2H6NO2Clの電離によって発生した水素イオンの中和に使われたもので中和に使われた水酸化カリウムのモル量は水溶液中に含まれるC2H6NO2Clのモル量に相当します。

4 * 0.1 = 4.00 * 10^-1 mol

この量が100ml から4mlを採取した溶液に含まれていたので全体の量は

4.00 * 10^-1 * 100 /4 =1.00 * 10^1 mol

この量が試料50ｇに含まれるので100gの試料中には

2.00 * 10^1 mol

C2H6NO2Clのモル質量は111.5g ですから試料100ｇ中に含まれるC2H6NO2Clの量は

2.00 * 10^-1 * 111.5 = 2.23 * 10^1 g

問5

C2H6NO2Clを2.23gを含む80mlの溶液のC2H6NO2Cl濃度は

2.23 / 111.5 * 1000 /80 = 2.50 * 10^-1 mol/l

ところでC2H6NO2Clは酸としての電離をし、その反応は次のようになります。

C2H6NO2Cl →　C2H5NO2Cl^- + H^+

電離定数Ｋａは次の式で表されます。

Ka = [C2H5NO2Cl^-] [H^+] / [C2H6NO2Cl]

C2H6NO2Clの初期濃度をＣとして、解離度をＸとすれば次の式で表されます。

Ka = C * X * C * X / ( C * (1-X))

Ka = C* X^2 / (1-X)

C*X^2 + Ka*X - Ka = 0

X = - Ka + (Ka^2 + 4 * C * Ka)^1/2 /( 2 * C)

X = -1.00 *10^-2 + ( 1.00 * 10^-4 + 4 * 2.50 * 10^-1 * 1.00 * 10^-2 )^1/2 / ( 2 + 2.50 * 10^-1 )

X= -1.00 * 10^-2 + ( 1.01 * 10^-2)^1/2 / 5.00 * 10^-1 = -1.00 * 10^-2 + 2.01 * 10^-1 = 1.91 * 10^-1

pH = -Log[H^+] = - Log (C * X) = - Log (

C2H6NO2Clは酸としての電離をし、その反応は次のようになります。

C2H6NO2Cl →　C2H5NO2Cl^- + H^+

電離定数Ｋａは次の式で表されます。

Ka = [C2H5NO2Cl^-] [H^+] / [C2H6NO2Cl]

C2H6NO2Clの初期濃度をＣとして、解離度をＸとすれば次の式で表されます。

Ka = C * X * C * X / ( C * (1-X))

Ka = C* X^2 / (1-X)

C*X^2 + Ka*X - Ka = 0

X = - Ka + (Ka^2 + 4 * C * Ka)^1/2 /( 2 * C)

X = -1.00 *10^-2 + ( 1.00 * 10^-4 + 4 * 2.50 * 10^-1 * 1.00 * 10^-2 )^1/2 / ( 2 * 2.50 * 10^-1)

X = -1.00 * 10^-2 + 2.01 * 10^-1 = 1.91 * 10^-1

pH = -Log [ H^+ ] = -Log ( C * X ) = -Log ( 2.50 * 10^-1 * 1.91 * 10^-1 ) = -Log ( 4.78 * 10^-2)

pH = 1.32

お礼

どうもありがとうございました。この問題は金沢大学の過去問題ですが、どうにも解らなく困っていました。おかげでやっと理解することができました。

回答No.1

gohtraw

これだけの情報で確定できるかどうかよく判りませんが、グリシンの塩酸塩でしょう。
ＨＯＣＯＣＨ２ＮＨ３＋・Ｃｌ－

硝酸銀を加えて白濁するのはハロゲンの特徴です。問１は塩化銀　ＡｇＣｌ　でしょう。銀のカルボン酸塩の溶解性が判らないので断言しにくいですが。もし塩化銀だとすると、この物質は水溶液中で塩素イオンを出しうる構造を持つことが判ります。Ｃ－Ｃｌのような構造では塩素イオンは出ず、アミンの塩酸塩とか、カルボン酸の塩化物（－ＣＯＣｌ）のような構造であることが推定できます。

塩酸の滴定曲線は中和点付近でｐＨが急激に立ち上がり、その後ｐＨの変化は非常に少なくなります。それに比べてＸの曲線はｐＨは立ち上るのですが塩酸の場合ほどのｐＨ値にはならず、ｐＨ＝８付近からｐＨが上昇しています。塩酸の場合は中和点以降は中和反応が起きず、ただＫＯＨを加えることにより水酸化物イオン濃度が上がる(但し水酸化物イオン濃度が１０倍になって初めてｐＨが１上がるので、ｐＨの変化は小さい）だけであるのに対し、Ｘの場合はｐＨ＝９～１２当たりで酸が消費されることによってｐＨが上昇していると推定できます。グリシン塩酸塩のアミノ基の窒素原子は、非共有電子対に水素イオンがついてアンモニウムイオン（－ＮＨ３+)という形になっています。これはＫＯＨとの対比においては酸として機能し、水素イオンを放出してアミノ基（－ＮＨ２)になります。

グリシンの中のカルボン酸が滴下されたＫＯＨによって全て中和された点がＱです。このとき、グリシンの分子上には正の電荷（－ＮＨ３+）と負の電荷（－ＣＯＯ-)が同じだけ存在することになります。このような点を等電点といいます。

中和点ＱにおけるＫＯＨの添加量は
０．１＊４／１０００＝４＊１０－４　モル　ですから、実験１に供したC2H6NO2Clは４＊１０＾－４当量です。グリシンの塩酸塩であるという推定が正しければこれは４＊１０－４　モルですから、これに分子量を掛ければ質量がでます。一方実験１に供した試薬Ａは５０＊４／１００　ｇですから・・・？

グリシンのカルボン酸の解離平衡を
ｇｌｙ　→　ｇｌｙー　＋　Ｈ＋
と表し、それぞれの濃度を［ｇｌｙ］、［ｇｌｙ－］、［Ｈ＋］と表すと、電離定数は
［ｇｌｙ－］［Ｈ＋］／［ｇｌｙ］＝１＊１０＾－２　・・・（１）
です。グリシン塩酸塩の分子量は１１１．５ですから２．２３ｇは０．０２モル、これを８０ｍに溶かせばそのモル濃度は
０．０２／０．０８＝０．２５　ｍｏｌ／Ｌ　です。従って
［ｇｌｙー］＝０．２５－［ｇｌｙ］・・・（２）
です。また、平衡の量論関係から
［ｇｌｙ－］＝［Ｈ＋］　・・・（３）
です。（２）と（３）を（１）に代入すれば二次方程式になるのでそれを解けば各成分の濃度が判ります。ｐＨとしては上記のアンモニウムイオン→アミノ基の変化が起きるよりもかなり小さい値になるはずです（このことにより、ｐＨ計算に際してアミノ基の挙動を考慮する必要がないことを確認できます）

お礼

どうもありがとうございました。この問題は金沢大学の過去問題です。解らなくて悩んでいました。おかげさまでなんとか理解することができました。