【化学変化とイオン】リトマス紙を使った電気泳動実験

課題 酸性、アルカリ性の正体は何だろうか。


前の実験(このブログでは未紹介)で、酸性の水溶液も、アルカリ性の水溶液も電流を通すということがわかっています。
ということは水溶液中では電離している、すなわち陽イオンと陰イオンに分かれて存在しているということが考えられます。
では、陽イオンと陰イオン、どちらのイオンが酸性、アルカリ性の正体なのでしょうか。

それを調べる作戦を立てます。
1) リトマス紙の色を変えるものが酸性、アルカリ性だ。
2) 水溶液中に電離している陽イオンと陰イオンのどちらが酸性、アルカリ性の正体かを調べるには、陽イオンと陰イオンをわけ、それぞれがリトマス紙の色を変えるか調べればよい。
3) 陽イオンと陰イオンをわけるには、電圧をかければよい。調べる酸性やアルカリ性の水溶液を一点に置き、電圧をかければ、陽イオンは-極に、陰イオンは+極に惹かれるはずだ。
4) 調べる水溶液以外の部分にも電流が流れるようにするために、調べる酸性やアルカリ性の水溶液のバックには硝酸カリウム水溶液を湿らせたろ紙を使う。
※硝酸カリウム水溶液は中性である。また、電流を流しても硝酸カリウム自体は分解せず、水の電気分解が起こる。同じ特徴をもつ硫酸ナトリウムを代わりに使ってもよい。
5) 水溶液の-極側でリトマス紙の色が変化すれば陽イオンが、+極側でリトマス紙の色が変化すれば陰イオンが、両側でリトマス紙の色が変化すれば両方のイオンが酸性、アルカリ性の正体ということになる。

ということで、こんな装置を使います。
2445-1.jpg 2445-2.jpg

まず塩酸でやってみましょう。上側が+極、下側が-極です。
2445-3.jpg 2445-4.jpg
ものの見事に-極側が赤くなってしまいました。
2445-5.jpg

ということは酸性の正体は-極側に引かれるので、+の電気を帯びているはず。つまり陽イオン。
塩酸の電離式は HCl → H+ + Cl-
陽イオンは 水素イオンH+。これが酸性の正体です。
他の酸性の水溶液を見ても
硫酸 H2SO4 → 2H+ + SO42-
硝酸 HNO3 → H+ + NO3-
炭酸 H2CO → 2H+ + CO2-
酢酸 CHCOOH → H+ + CHCOO-
と、いずれも陽イオンが水素イオンH+になっています。

では、アルカリ性ではどうでしょうか。水酸化ナトリウム水溶液でやってみましょう。
2445-6.jpg 2445-7.jpg
塩酸の時ほど進み具合がよくないですが、でも青く変色した部分が+極側の方に移動しているのがわかります。
2445-8.jpg

ということはアルカリ性の正体は+極側に引かれるので、-の電気を帯びているはず。つまり陰イオン。
水酸化ナトリウム水溶液の電離式は NaOH → Na+ + OH-
陰イオンは 水酸化物イオン OH-。これがアルカリ性の正体です。
他のアルカリ性の水溶液を見ても
水酸化カリウム水溶液  KOH → K+ + OH-
石灰水(水酸化カルシウム水溶液)  Ca(OH)2 → Ca2+ + 2OH-
水酸化バリウム水溶液  Ba(OH)2 → Ba2+ + 2OH-
アンモニア水(水酸化アンモニウム水溶液) NH4OH → NH4+ + OH-
と、いずれも陰イオンが水酸化物イオン OH-になっています。

結論
酸性の正体は 水素イオン H+
アルカリ性の正体は水酸化物イオン OH-




ところで、特にアルカリ性の方で顕著でしたが、塩酸や水酸化ナトリウムを湿らせたタコ糸を置いた部分ではなく、リトマス紙のはじっこからリトマス紙の色の変化が起こっています。これはどういうことでしょうか。

実は電流を流すために硝酸カリウム水溶液を入れたことで、水の電気分解が起こっています。その時電極では
陽極 2H2O → O2 + 4H+ + 4e-
陰極 2H2O + 2e- →H2 + 2OH-
と陽極側で水素イオン H+、陰極側で水酸化物イオン OH-

が発生しています。

これを確かめるため、H字管にBTB液を加えた硝酸カリウム水溶液をいれて、水の電気分解をしてみたところ…
 
やはり陽極側が黄色く、陰極側が青くなりました。
2445-9.jpg 2445-0.jpg
また、動画からはすぐに陰極が青くなって、しばらくしてから陽極が黄色くなりました。
これは、リトマス紙の実験で、15-16分程度では青リトマス紙の+極側は赤くならなかったのに対し、赤リトマス紙の-極側は青色に変化した部分がだいぶ広がっていることに対応しています。

が、酸性側とアルカリ性側でどうしてここまでの時間差というかアンバランスがあるのかが正直よくわかりません。
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テーマ : 実験 科学 サイエンス
ジャンル : 学校・教育

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