6. まず、アンモニアは次のように水と反応して、アンモニウムイオンと水酸化物イオンを生成します。
NH3 + H2O ⇌ NH4+ + OH-
一方、塩酸は水と反応して、水素イオンと塩化物イオンを生成します。
HCl + H2O ⇌ H3O+ + Cl-
このとき、中和反応によって生成する塩化物イオンは、アンモニウムイオンと反応して、塩化アンモニウムを生成します。
NH4+ + Cl- ⇌ NH4Cl
これらの反応式から、塩酸とアンモニアの化学量論的量を求めます。
まず、水溶液中に含まれるアンモニアのモル数は、以下のように求められます。
アンモニアのモル数 = 水溶液の体積 (L) × アンモニアの濃度 (mol/L)
= 0.250 L × (5.6/1000) mol/L
= 0.0014 mol
アンモニアと塩酸は1:1のモル比で反応するため、塩酸の必要なモル数も同じく0.0014 molです。
次に、塩酸の濃度から、必要な体積を求めます。
塩酸の濃度 = 塩酸のモル数 / 塩酸の体積 (L)
よって、塩酸の必要な体積は、
塩酸の体積 = 塩酸のモル数 / 塩酸の濃度
= 0.0014 mol / 0.20 mol/L
= 0.007 L = 7 mL
従って、10 mLの水溶液を中和するのに必要な塩酸の体積は、7 mLとなります。
7.まず、アンモニアと硫酸の反応式は以下の通りです。
NH3 + H2SO4 → (NH4)2SO4
この反応式から、アンモニアと硫酸が1:1のモル比で反応することがわかります。つまり、硫酸のモル数とアンモニアのモル数は等しいと考えることができます。
硫酸のモル数 = 濃度 (mol/L) × 体積 (L)
= 0.50 mol/L × 0.200 L
= 0.100 mol
従って、アンモニアのモル数も0.100 molとなります。
次に、水酸化ナトリウムによる滴定の計算を行います。この反応式は以下の通りです。
H2SO4 + 2NaOH → Na2SO4 + 2H2O
この反応式から、硫酸1分子に対して水酸化ナトリウムは2分子必要であることがわかります。従って、硫酸のモル数の半分、すなわち0.050 molの水酸化ナトリウムが必要です。
滴定によって、20 mLの水酸化ナトリウムを加えることで、硫酸の全てが中和されます。このとき、水酸化ナトリウムのモル数は以下のように求められます。
水酸化ナトリウムのモル数 = 濃度 (mol/L) × 体積 (L)
= 1.0 mol/L × 0.020 L
= 0.020 mol
この水酸化ナトリウムは、硫酸の半分の量、すなわち0.050 molと反応するため、アンモニアのモル数との比を考えることで、アンモニアの濃度を求めることができます。
水酸化ナトリウムのモル数 / アンモニアのモル数 = 0.050 mol / 0.100 mol = 0.5
従って、アンモニアの濃度は、水酸化ナトリウムの濃度の半分、すなわち0.5 mol/Lとなります。
8.H2SO4 + 2NH3 → (NH4)2SO4
反応の平衡により、硫酸1分子に対してアンモニア2分子が必要です。この反応によって生成されるのは、硫酸1分子に対して(NH4)2SO4 2分子です。
そこで、用意されていた硫酸のモル数を求めます。
モル数 = 濃度 × 容積 (L)
= 81.0 mol/L × 0.200 L
= 16.2 mol
この量の硫酸に対して、アンモニア2分子が必要なので、アンモニアのモル数は16.2 mol × 2 = 32.4 molとなります。
この溶液に0.50 mol/Lの水酸化ナトリウムを200 mL滴下して完全に中和したということは、反応式は以下のようになります。
H2SO4 + 2NH3 + 2NaOH → (NH4)2SO4 + 2Na2O
この反応式から、アンモニア2分子に対して水酸化ナトリウム2分子が必要であることが分かります。したがって、用意された水酸化ナトリウムのモル数は、アンモニアのモル数と等しくなります。
モル数 = 濃度 × 容積 (L)
= 0.50 mol/L × 0.020 L
= 0.010 mol
つまり、用意されていたアンモニアのモル数は0.010 molであるため、モル濃度は0.010 mol ÷ 0.200 L = 0.050 mol/Lとなります。
