中和滴定で見るpH曲線と発熱Neutralization Titration: pH Curve and Heat

1予想しよう（触る前に）Predict (before you touch anything)

1. 塩酸にアルカリを一定の速さで加えていくと、pHはどのように変わっていくだろうか。まっすぐ一定の割合で上がるのか、それとも別の変わり方をするのか、グラフの形を予想してかいてみよう。If you keep adding alkali to hydrochloric acid at a steady rate, how will the pH change? Will it rise in a straight line at a constant rate, or in some other way? Sketch the shape of the graph you expect.💡 水溶液の中に、まだ中和されずに残っているH⁺がどれくらいあるかを考えよう。H⁺が多いときと、ほとんどなくなったときでは何がちがうだろうか。Think about how much H⁺ is still left un-neutralized in the solution. What is different when there is a lot of H⁺ compared with when almost none is left?
2. 中和は熱が出る反応である。アルカリを加え続けたとき、液温はずっと上がり続けるだろうか。Neutralization releases heat. If you keep adding alkali, will the temperature of the liquid keep rising forever?💡 熱が出るのは、H⁺とOH⁻が結びつくときだけである。塩酸のH⁺がなくなったあとに加えた液はどんなはたらきをするか考えよう。Heat is released only when H⁺ and OH⁻ combine. Think about what the solution added after all the H⁺ is gone does to the liquid.

2動かしてみようTry it

1. 最初の設定（「塩酸の濃度」0.50 mol/L、「NaOH の滴下の速さ」1.0 mL/秒）で、開くと自動で滴下が始まる。最初の数秒は、右上の表示（滴下量・pH・液温・水溶液）とビーカーの色を見る。必要なら「一時停止」と「再開」で止めながら読む。With the default settings (HCl concentration 0.50 mol/L, NaOH drip rate 1.0 mL/s), dripping starts automatically when the page opens. For the first few seconds, watch the readout (Added, pH, Temp, Liquid) and the color of the beaker. Use "Pause" and "Resume" to stop and read values if needed.
2. 滴下量が当量点の破線（当量点 25.0 mL）に近づくところをよく見る。pHの曲線、BTBの色、液温の曲線がどう変わるか、「中和完了！ pH 7」の表示が出る瞬間を確かめる。Watch closely as the added volume approaches the dashed line (Equiv. point 25.0 mL). Check how the pH curve, the BTB color and the temperature curve change, and the moment "Neutralized! pH 7" appears.
3. そのまま60 mLまで滴下させ（待ち時間を短くしたいときは「NaOH の滴下の速さ」を3.0 mL/秒にする）、当量点のあとの液温の変化と、最後のpHを記録する。Let it run to 60 mL (set NaOH drip rate to 3.0 mL/s to save time) and record how the temperature changes after the equivalence point and the final pH.
4. 「リセット」を押し、「塩酸の濃度」を1.00 mol/Lにして「開始」を押す。当量点の破線の位置と、液温の最高値を記録する。Press "Reset", set HCl concentration to 1.00 mol/L, and press "Start". Record the position of the equivalence-point line and the highest temperature.
5. もう一度「リセット」を押し、「塩酸の濃度」を0.10 mol/Lにして「開始」を押し、同じように当量点の位置と液温の最高値を記録して比べる。Press "Reset" again, set HCl concentration to 0.10 mol/L, press "Start", and record the equivalence-point position and the highest temperature in the same way. Compare the three runs.

3確かめようCheck

1. pHのグラフはどんな形になったか。当量点ではpHはいくつだったか。What shape did the pH graph have? What was the pH at the equivalence point?→ 最初はpH 0.3ほどで、滴下してもゆっくりとしか上がらない（20 mLでもpH 1.3程度）。当量点の25.0 mL付近でほぼ垂直に急上昇し、ちょうどpH 7（緑の点）を通って、その後はpH 12〜13付近でゆるやかになる。直線ではなくS字のような形である。It starts at about pH 0.3 and rises only slowly (still only about pH 1.3 at 20 mL). Near the equivalence point at 25.0 mL it shoots up almost vertically, passing exactly through pH 7 (the green dot), and then levels off around pH 12–13. It is an S-shaped curve, not a straight line.
2. 液温はどのように変化したか。最も高くなったのはどこか。How did the temperature change? Where was it highest?→ 液温は20 ℃から上がり続け、当量点（25.0 mL）でいちばん高い約23.4 ℃になった。そのあとは下がり始め、60 mLでは約22.0 ℃（+2.0）になった。The temperature rose steadily from 20 ℃ and was highest, about 23.4 ℃, at the equivalence point (25.0 mL). After that it began to fall, reaching about 22.0 ℃ (+2.0) at 60 mL.
3. BTB液の色はどのように変わったか。How did the color of the BTB solution change?→ 当量点の手前までは黄色（酸性）のままで、当量点を過ぎると青色（アルカリ性）になった。緑色（中性付近）はpH 6.0〜7.6のときだけで、その範囲は当量点のほんのわずかな滴下量の間しかないため、ほとんど一瞬で黄色から青色に変わったように見える。右上の「BTB液の色」の帯では、pHに応じて黄→緑→青と少しずつ変わることが確かめられる。It stayed yellow (acidic) until just before the equivalence point and turned blue (alkaline) after it. Green (near neutral) appears only between pH 6.0 and 7.6, and that range spans a tiny volume right at the equivalence point, so the beaker seems to switch from yellow to blue almost instantly. The "BTB color" bar at the top shows that the color actually shifts gradually from yellow through green to blue as the pH changes.
4. 「塩酸の濃度」を変えると、当量点の位置と液温の最高値はどう変わったか。When you changed the HCl concentration, how did the equivalence point and the highest temperature change?→ 0.10 mol/Lでは当量点は5.0 mL、0.50 mol/Lでは25.0 mL、1.00 mol/Lでは50.0 mLになり、濃度に比例して当量点が右へ移った。液温の最高値は0.10 mol/Lで約21.1 ℃、0.50 mol/Lで約23.4 ℃、1.00 mol/Lで約24.6 ℃と、濃い塩酸ほど高くなった。The equivalence point was 5.0 mL at 0.10 mol/L, 25.0 mL at 0.50 mol/L and 50.0 mL at 1.00 mol/L; it moved right in proportion to the concentration. The highest temperature was about 21.1 ℃ at 0.10 mol/L, about 23.4 ℃ at 0.50 mol/L and about 24.6 ℃ at 1.00 mol/L, so the more concentrated the acid, the higher it got.

4考えようThink further

1. 当量点のあとも水酸化ナトリウム水溶液を加えているのに、液温が下がっていくのはなぜか。Why does the temperature fall after the equivalence point even though sodium hydroxide solution is still being added?→ 当量点で塩酸のH⁺はすべてOH⁻と結びついて水になったので、それ以上加えても中和は起こらず、新しく熱は出ない。そこへ室温（20 ℃）の液を加え続けるので、同じ熱量がより多くの液に分けられ、液温はしだいに室温に近づいていく。At the equivalence point all the H⁺ from the acid has combined with OH⁻ to form water, so adding more causes no further neutralization and releases no new heat. Room-temperature (20 ℃) solution keeps being added, so the same amount of heat is shared by more liquid and the temperature gradually approaches room temperature.
2. 塩酸の濃度を2倍にすると当量点の滴下量も2倍になるのはなぜか。イオンの数を使って説明しよう。Why does doubling the HCl concentration double the volume needed to reach the equivalence point? Explain using the numbers of ions.→ H⁺とOH⁻は1個ずつ結びついて水になる。塩酸の体積は25 mLのまま濃度を2倍にすると、ビーカー中のH⁺の数が2倍になる。加える水酸化ナトリウム水溶液の濃度は同じ（0.50 mol/L）なので、同じ数のOH⁻を加えるには2倍の体積が必要になる。H⁺ and OH⁻ combine one to one to form water. With the acid volume fixed at 25 mL, doubling its concentration doubles the number of H⁺ ions in the beaker. Since the NaOH solution added has the same concentration (0.50 mol/L), twice the volume is needed to supply the same number of OH⁻ ions.

よくある誤解Common misconceptions

• 「アルカリを加えた量に比例してpHも一定の割合で上がる」と考えがちだが、実際はH⁺が多く残っている間はほとんど変わらず、当量点の前後でごくわずかな量を加えただけで急に大きく変わる。Students often think the pH rises steadily in proportion to the amount of alkali added. In fact it barely changes while plenty of H⁺ remains, then changes sharply with a tiny addition around the equivalence point.
• 「アルカリを入れるほど反応が進んで、液温もずっと上がる」と考えがちだが、熱が出るのは中和が起こっている間だけで、当量点をこえると液温は下がっていく。Students often think that the more alkali you add, the more reaction happens and the hotter the liquid gets. Heat is released only while neutralization is occurring; beyond the equivalence point the temperature falls.

用語（日本語 / English）Key terms (Japanese / English)