作業環境測定士試験 過去問解説

0-5 反応の量的関係と酸・塩基

この章のゴールと導入クイズ

この章を読み終えると、分析に関する概論の容量分析と溶液の席（問11・問12・問5・問6）のうち、中和の計算、反応式の量的関係、同じ濃度の酸・塩の水溶液のpHの大小が解けるようになります。13回で延べ15問に直結します。

Q1 都市ガスの主成分であるメタンを燃やすと、二酸化炭素と水ができます。メタンの分子1個が燃え切るのに、酸素の分子は何個必要でしょう。

  1. 1個
  2. 2個
  3. 4個

Q2 同じ濃度（0.1mol/L）の塩酸と酢酸の水溶液があります。酸性が強い（pHが小さい）のはどちらでしょう。

  1. 塩酸
  2. 酢酸
  3. 同じ濃度なので同じ

（答え　Q1：2　Q2：1）

1 反応式の係数は「molの比」

言葉の確認 物質が変化して別の物質になることを化学反応といい、それを化学式で書いたものを反応式（化学反応式）といいます。化学式の前の数字を係数と呼び、1は書きません。

例 メタンの燃焼の反応式は次のとおりです。

CH₄ ＋ 2O₂ → CO₂ ＋ 2H₂O

メタンの分子1個と酸素の分子2個が反応して、二酸化炭素の分子1個と水の分子2個ができる、と読みます。導入クイズQ1の答えはこの係数です。矢印の左右で、原子の種類と数は必ずそろっています（Cは1個、Hは4個、Oは4個）。原子は組み変わるだけで、消えたり増えたりしないからです。

係数は分子の個数の比ですが、0-2で見たとおりmolは「粒の束」なので、係数はそのままmolの比でもあります。メタン1molは酸素2molと反応し、二酸化炭素1molと水2molができます。

型カード0-5-A　反応式の量的関係

  • 言葉の式：知りたい物質のmol＝分かっている物質のmol×（知りたい物質の係数÷分かっている物質の係数）
  • 手順：①分かっている物質の質量をmolに直す（0-2-B）②係数の比でmolを移す ③必要なら質量に直す
  • 例：メタン8.0g（分子量16）を完全に燃やす。①0.50mol ②酸素は0.50×2÷1＝1.0mol、二酸化炭素は0.50mol ③酸素32g、二酸化炭素22g

試験に出る反応　係数の合わせ方を一般に覚える必要はありません。過去13回で出た反応は、次の表でほぼ尽きます。

反応 反応式 読み方のポイント
炭素の燃焼 C ＋ O₂ → CO₂ 気体の分子の数（酸素1→二酸化炭素1）が変わらない（0-3）
メタンの燃焼 CH₄ ＋ 2O₂ → CO₂ ＋ 2H₂O 酸素は2倍、二酸化炭素は同じmol
エチレンの燃焼 C₂H₄ ＋ 3O₂ → 2CO₂ ＋ 2H₂O 酸素は3倍、二酸化炭素は2倍のmol
炭酸カルシウムと塩酸 CaCO₃ ＋ 2HCl → CaCl₂ ＋ H₂O ＋ CO₂ 塩化水素は2倍のmolが必要
塩酸と水酸化ナトリウム（中和） HCl ＋ NaOH → NaCl ＋ H₂O 1：1で反応（本文2）
硫酸と水酸化ナトリウム（中和） H₂SO₄ ＋ 2NaOH → Na₂SO₄ ＋ 2H₂O 水酸化ナトリウムは2倍のmol（本文2）

2 酸と塩基：中和はH⁺とOH⁻の数合わせ

言葉の確認 水に溶けて水素イオン（H⁺）を出す物質を酸、水酸化物イオン（OH⁻）を出す物質を塩基といいます。酸1個が出せるH⁺の数（塩基ならOH⁻の数）を価数と呼びます。塩酸（HCl）は1価、硫酸（H₂SO₄）は2価、水酸化ナトリウム（NaOH）は1価です。

酸と塩基を混ぜると、H⁺とOH⁻が1個ずつ結びついて水（H₂O）になり、互いの性質を打ち消し合います。これが中和です。

例 0.10mol/Lの硫酸20mLを、0.20mol/Lの水酸化ナトリウム溶液でちょうど中和するには、何mL必要でしょう。

  1. 硫酸が出すH⁺：2価×0.10mol/L×0.020L＝0.0040mol
  2. 必要なOH⁻も0.0040mol。水酸化ナトリウムは1価なので、0.0040÷0.20＝0.020L

答えは20mLです。硫酸は2価なので、同じ濃度の塩酸の2倍の水酸化ナトリウムが要ります。

型カード0-5-B　中和の量的関係

  • 言葉の式：酸の価数×濃度×体積＝塩基の価数×濃度×体積
  • 手順：①酸のH⁺のmolを出す（価数×濃度×体積）②それと同じOH⁻のmolを、塩基の価数×濃度で割って体積を出す
  • 注意：体積はLにそろえる。価数を掛け忘れるのが一番多い誤り

混ぜた後に余る場合

酸と塩基の量がつり合っていないと、多い方が余ります。余ったH⁺（またはOH⁻）を、混ぜた後の全体積で割れば、その濃度が出ます。

型カード0-5-C　混ぜた後の余り

  • 言葉の式：余ったイオンの濃度＝（多い方のmol−少ない方のmol）÷混ぜた後の全体積
  • 例：0.010mol/Lの塩酸30mLと、0.010mol/Lの水酸化ナトリウム溶液10mLを混ぜた。H⁺は3.0×10⁻⁴mol、OH⁻は1.0×10⁻⁴mol。H⁺が2.0×10⁻⁴mol余り、全体は40mL（0.040L）なので、H⁺の濃度は2.0×10⁻⁴÷0.040＝5.0×10⁻³mol/L
  • この濃度からpHを出す計算は、0-6で扱う

3 強い酸・弱い酸と、塩の液性

言葉の確認 酸が水に溶けてH⁺を出すことを電離といいます。ほぼ全部が電離する酸を強酸、ごく一部しか電離しない酸を弱酸と呼びます。塩基も同じで、強塩基と弱塩基があります。酸性・塩基性の強さはpHで表し、7が中性、7より小さいほど酸性が強く、大きいほど塩基性が強くなります（pHの計算は0-6）。

例 導入クイズQ2の塩酸と酢酸は、同じ0.1mol/Lでも、塩酸はほぼ全部がH⁺を出すのに対し、酢酸は1%程度しか出しません。水溶液中のH⁺がずっと多いので、塩酸の方が酸性が強くなります。

分類 試験に出る物質 覚え方
強酸 塩酸、硝酸、硫酸（2価） 同じ濃度なら、2価の硫酸が最も酸性が強い
弱酸 酢酸、フッ化水素酸、炭酸 名前に「酸」が付いても弱いものがある。フッ化水素酸は弱酸
強塩基 水酸化ナトリウム、水酸化カリウム —
弱塩基 アンモニア —

同じ濃度の水溶液をpHの小さい順（酸性の強い順）に並べると、硫酸、塩酸・硝酸、酢酸、（中性）、アンモニア、水酸化ナトリウムとなります。

塩の液性：「強い方が勝つ」

中和で水と一緒にできる物質を塩（えん）といいます。塩酸と水酸化ナトリウムからできる塩化ナトリウムがその例です。塩を水に溶かしたときの液性は、もとの酸と塩基のどちらが強いかで決まります。

もとの酸 もとの塩基 塩の水溶液 例
強酸 強塩基 中性 塩化ナトリウム
強酸 弱塩基 酸性 塩化アンモニウム
弱酸 強塩基 塩基性 酢酸ナトリウム

なぜ強い方が勝つのか 弱い方の相手（酢酸ナトリウムなら酢酸のなごり）は、水の中で少しだけ水と反応して、もとの弱い酸に戻ろうとします。そのときに水からH⁺を奪うので、OH⁻が余って塩基性になります。試験では、この結論（強い方の性質が残る）だけを使えば解けます。

滴定の当量点のpH 酸をちょうど中和し終えた点を当量点といいます。酢酸を水酸化ナトリウムで中和し終えると、液は酢酸ナトリウムの水溶液になるので、当量点のpHは塩基性側（7より大きい）になります。強酸を中和した場合は中性です。

ここだけは覚える

  1. 反応式の係数はmolの比：分かっている物質をmolに直し、係数の比で移す。試験に出る反応は表の6つ。
  2. 中和は「価数×濃度×体積」の数合わせ：硫酸は2価。余ったら、差を全体積で割る。
  3. 強い方が勝つ：同じ濃度なら硫酸が最も酸性。弱酸と強塩基の塩（酢酸ナトリウム）は塩基性。

練習問題

原子量はH＝1、C＝12、O＝16、Ca＝40とします。

  1. エチレン（C₂H₄）0.20molを完全に燃やしました。必要な酸素と、できる二酸化炭素はそれぞれ何molですか。
  2. メタン（CH₄）4.0gを完全に燃やすと、二酸化炭素は何gできますか。
  3. 炭酸カルシウム（CaCO₃）1.0gと過不足なく反応する塩化水素は何molですか。
  4. 0.050mol/Lの塩酸20mLをちょうど中和するには、0.10mol/Lの水酸化ナトリウム溶液が何mL必要ですか。
  5. 0.20mol/Lの硫酸10mLをちょうど中和するには、0.10mol/Lの水酸化ナトリウム溶液が何mL必要ですか。
  6. 0.020mol/Lの塩酸20mLと、0.010mol/Lの水酸化ナトリウム溶液20mLを混ぜました。混ぜた後のH⁺の濃度は何mol/Lですか。
  7. 同じ0.1mol/Lの酢酸、塩酸、硫酸の水溶液のうち、pHが最も小さいものはどれですか。
  8. 酢酸ナトリウムの水溶液は、酸性・中性・塩基性のどれですか。

解答

No. 答え ポイント（型カード）
1 酸素0.60mol、二酸化炭素0.40mol 係数1：3：2（0-5-A）
2 11g 4.0÷16＝0.25mol。二酸化炭素も0.25mol、×44（0-5-A）
3 0.020mol 1.0÷100＝0.010mol。塩化水素は係数2で2倍（0-5-A）
4 10mL 0.050×0.020＝0.0010mol、÷0.10＝0.010L（0-5-B）
5 40mL 2価×0.20×0.010＝0.0040mol、÷0.10＝0.040L（0-5-B）
6 5.0×10⁻³mol/L H⁺4.0×10⁻⁴mol−OH⁻2.0×10⁻⁴mol＝2.0×10⁻⁴mol、÷0.040L（0-5-C）
7 硫酸 強酸で、しかも2価
8 塩基性 弱酸（酢酸）と強塩基（水酸化ナトリウム）の塩なので、強い方の性質が残る

この章で解けるようになった過去問

科目・席 罠の型 出題（13回中） 使う型カード
分析問11 中和反応の量的関係 5回 0-5-B、0-5-C
分析問11・問12 反応式の量的関係（炭酸カルシウム・燃焼） 5回 0-5-A
分析問5・問6・問12 酸・塩の水溶液のpHの大小 5回 本文3の表
分析問4 燃焼後の密閉容器の圧力（0-3と共通） 2回 0-5-A と0-3本文5

標定に用いる物質（6回）、溶解度積（2回）、化学平衡（3回）は、計算ではなく分析の知識なので、第5部で扱います。

この章の過去問を解く（5問） この章で狙われる罠の型