・中和滴定で食酢中の酢酸濃度を求める
【目次】
@ 乾いたホールピペットで、市販の食酢を10 mL正確にはかり取り、100
mLメスフラスコに入れる。ピペットの先端の残滴は、吸い口を指で塞ぎ、玉の部分を手のひらで温めて、すべて出し切る。
A メスフラスコの標線の手前まで純水を加え、ガラス栓をしてよく混合する。その後、駒込ピペットで純水を少しずつ慎重に加え、メニスカスの下面を標線に合わせる。
B ビュレットの活栓が閉じていることを確認し、50 mLビーカーに取った0.100
mol/L水酸化ナトリウム水溶液をビュレットに入れる。
C ビュレットの下に50 mLビーカーを置き、活栓を開いて、ビュレットに入った水酸化ナトリウム水溶液をすべて出す。このときに出した水酸化ナトリウム水溶液は、大量の流水とともに流しに捨てる。
D 再びビュレットに0.100 mol/L水酸化ナトリウム水溶液を入れる。ビュレットの先端に気泡がある場合は、活栓を少し開いて、気泡を出す。このときの水酸化ナトリウムの液量V1を記録しておく。
E 乾いたホールピペットで、Aで調製した食酢を正確に10
mLはかり取り、コニカルビーカーに入れる。そこに、フェノールフタレイン溶液を1滴入れる。
F ビュレットの下にEのコニカルビーカーを置き、活栓をゆっくり開いて、ビュレットから水酸化ナトリウム水溶液を1滴ずつ落とす。コニカルビーカーを水平に振り混ぜながら滴下し、ビーカー内の水溶液の色が薄い赤色になって、その色が消えなくなるまで滴下していく。このときのビュレットの水酸化ナトリウムの液量V2を記録しておく。
G 以降、B〜Fの操作を数回繰り返し、実験値を求める。コニカルビーカーを再び使用する際は、まずは水道水で洗い、純水で軽くすすいだあとに使用すること。
図.1 ビュレットから水酸化ナトリウム水溶液を滴下していき、フェノールフタレインの赤色が消えなくなったときが終点である
(2) 理論
中和反応を利用して、濃度未知の水溶液の濃度を求める操作を、「中和滴定(neutralization titration)」といいます。まず、濃度を決定したい酸または塩基の水溶液を、ホールピペットを用いて、一定体積だけコニカルビーカーにはかり取ります。ホールピペットを用いるのは、標線部の管径が細くなっていて誤差が少なく、極めて精度が高いからです。このときに、精度の低い駒込ピペットやメスシリンダーを使ってはいけません。
次に、先のコニカルビーカーに、中和点付近で色が変わる指示薬を1〜2滴加えます。中和滴定で使用する指示薬は、多くの場合、複雑な構造を持った有機化合物であり、特定のpHで分子構造が変化し、色が変わります。これは、指示薬自身が「弱い酸」または「弱い塩基」として働くということです。それ故に、ここで指示薬を加えすぎると、滴定結果に狂いを生じるため、加える量は、可能な限り少量にとどめなければなりません(窒素を含む芳香族化合物を参照)。
そして、濃度既知の酸または塩基の標準溶液を、ビュレットから滴下していき、中和点に達するまでに要した標準溶液の体積を求めます。標準溶液には、安定で純度の高いシュウ酸二水和物H2C2O4・2H2Oを用いることが多いです。硫酸H2SO4は湿気を吸いやすいし、塩酸HClは揮発性があるので、これらを一般に標準溶液にすることはほとんどありません。「pHジャンプ」が起こって、指示薬の色が変化したところが、その反応の中和点になります。中和滴定の実験では、ビュレットから滴下する1滴(約0.05 mL)の量で、結果が大きく変わります。そのため、実験は慎重かつ正確に行われる必要があります(酸と塩基(中和反応)を参照)。
一般に中和反応では、「酸から生じ得るH+の物質量=塩基から生じ得るOH−の物質量」が成立します。例えば、ある濃度の希硫酸10 mLを過不足なく中和するために、0.20
mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液を8.6 mL滴下したとします。この希硫酸の濃度 は、次のように求めることができます。
このようにすると、濃度未知の水溶液の濃度を求めることができます。今回の実験では、濃度未知の酸には酢酸CH3COOH(食酢中に含まれる酸をすべて酢酸CH3COOHと考えた)を、濃度既知の塩基には水酸化ナトリウムNaOHを使用しました。水酸化ナトリウムNaOHは、空気中の二酸化炭素CO2と反応して濃度が変化するため、実験の直前に調製をするようにします。
CH3COOH + NaOH → CH3COONa + H2O
今回の実験では、水酸化ナトリウム水溶液は0.100 mol/Lに調製したものを用い、中和滴定により、市販の食酢中に含まれる酢酸CH3COOHの濃度を求めました。
(3) 結果
実験結果は、次の表.1のようになりました。ビュレットの目盛りは、小数点第2位(最小目盛りの1/10)まで読むようにします。
表.1 中和点までに要した0.100 mol/L水酸化ナトリウム水溶液の滴定量
|
1回目 |
2回目 |
3回目 |
4回目 |
滴定前の液量 V1 mL |
6.59
mL |
13.75mL |
0.79
mL |
7.99
mL |
滴定後の液量 V2 mL |
13.75
mL |
20.92
mL |
7.99
mL |
15.17
mL |
滴定量 V2−V1 mL |
7.16
mL |
7.17
mL |
7.20
mL |
7.18
mL |
滴定量の平均値 V mL |
7.18
mL |
食酢は、ホールピペットで10 mL取ったものを、メスフラスコで100
mLに薄めました。つまり、薄めた食酢の濃度は、元の食酢の1/10倍の濃度になっています。実験より、薄めた食酢10
mLを中和するのに、0.100 mol/L水酸化ナトリウム水溶液が7.18
mL必要だったので、薄めた食酢の濃度は、次のように求めることができます。
これより、もとの食酢1.0 L中に含まれる酢酸CH3COOH(M=60)の質量を求めると、次のようになります。
食酢の密度を1.02 g/cm3として、食酢中の酢酸CH3COOHの質量%濃度を求めると、次のようになります。
よって、市販の食酢中の酢酸CH3COOHの質量%濃度は、およそ4.2%と求められます。なお、食酢中には、酢酸CH3COOH以外にも、乳酸、コハク酸、リンゴ酸、クエン酸などの有機酸類や、種々のアミノ酸などが含まれています。実験結果が、実際の値と等しくなるとは限らないということに、留意しなければなりません。