水100gに一定温度でどんどん食塩を加えていったらどうなると思う?

加え始めたときはどんどん食塩は溶けていくが、ある程度の量を入れたら溶け残りが生じてしまうんです。この溶液のことを飽和溶液と言って、どのくらいの量溶けるかは温度と圧力によって変わってくるんです。

今回は「飽和溶液」と「溶解度曲線」について、化学実験を生業にしてきたライターwingと一緒に解説していきます。

ライター/wing

元製薬会社研究員。小さい頃から化学が好きで、実験を仕事にしたいと大学で化学を専攻した。卒業後は化学分析・研究開発を生業にしてきた。化学のおもしろさを沢山の人に伝えたい!

1.溶液と溶解度

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まず、溶解度とはなんのことでしょう?

溶解度とは一般的に水 100 g に対して最大限溶かすことのできる溶質の質量(g)のことをいいます。そして、温度と圧力が違えば溶解度は変わるのです。

まずは溶液とは何かから、紐解いていきましょう。

1-1.溶液とは何か

溶かす物質のことを溶媒、溶ける物質のことを溶質、溶質と溶媒を混合して均一になったものを溶液と言います。

食塩水でいうと、溶媒が水、溶質が食塩、溶液が食塩水です。

1-2.溶解度で何がわかる?

溶解度は水 100 g に対して、最大限溶かすことのできる溶質の質量(g)と説明しました。

20℃ で溶解度が 50 の物質といわれたら、20℃ で 100 g の水に 50 g まで溶かすことができるとわかります。

2.飽和溶液と溶解度曲線

溶解度曲線とは溶解度と温度の関係をグラフにしたものです。

溶解度曲線に入る前に、飽和溶液と溶解度、そして溶解度と温度の関係をまとめておきましょう。

2-1.飽和溶液と溶解度

飽和溶液とは、溶質を溶けきる限界まで溶かした溶液のことです。溶媒が水の場合は飽和水溶液ということもあります。

化学の用語でなくても、飽和していると言うといっぱいまで入っているという状態を想像しますよね。

つまり 50℃ で溶解度 30 の物質 A の飽和水溶液を作るには、50℃ の水 100 g に物質 A を 30 g 入れて均一に溶かせばよいのです。飽和溶液と溶解度の関係を何となく想像できたでしょうか?

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2-2.溶解度は温度で変わる

一般には固体の溶解度は温度が高くなるほど大きくなります。水とお湯ではお湯の方が砂糖などが溶けやすいですよね。

ということは、固体の溶解度と温度の関係をグラフにすると、右肩上がりのグラフになりそうだという事が分かります。

今回は詳しく説明しませんが、気体は固体と逆で温度が高いほうが溶けにくいのです。気体は低温の方が溶けるという事を覚えておくといいですよ。

2-3.溶解度曲線で何がわかる?

2-3.溶解度曲線で何がわかる?

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溶解度の理解に欠かせないのが溶解度曲線で、よく理科の授業で扱われます。溶解度曲線とは温度に対して、100gの水に何 g の溶質が最大溶けきるかを表したものです。

溶解度曲線の説明には硝酸カリウムが出てきます。なぜ身近な食塩(塩化ナトリウム)ではないのかというと、食塩は温度による溶解度の変化が小さく説明がしにくいのです。

硝酸カリウムは、温度による溶解度の変化がとても大きいため、説明がしやすいという利点があります。そこで、硝酸カリウムの溶解度曲線を使って説明していきましょう。

実際に上のグラフから、意味を読み取ってみましょう。

(A) 20℃ では、水 100 g に硝酸カリウムは最大 31.6 g 溶かすことができる。(溶解度 31.6)
(B) 40℃ では、水 100 g に硝酸カリウムは最大 63.9 g 溶かすことができる。(溶解度 63.9)
(C) 80℃ では、水 100 g に硝酸カリウムは最大 168.8 g 溶かすことができる。(溶解度 168.8)

3.溶解度曲線と再結晶

溶解度曲線を読み取れるようになったら、温度による溶解度の差を利用した「再結晶」という方法を使うことができます。

3-1.再結晶とは何か

高温で固体を溶かした飽和溶液をつくり、徐々に温度を下げていくと溶けきれなくなった固体が現れます。この現象を再結晶というのです。

このように温度による溶解度の差を利用することで、混合物を分離することを再結晶法といいます。

3-2.溶解度曲線と再結晶の関係

3-2.溶解度曲線と再結晶の関係

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ここでもう一度、溶解度曲線を見てみましょう。先ほどの硝酸カリウムの溶解度曲線に加えて、食塩(塩化ナトリウム)の溶解度曲線も表しました。

硝酸カリウムの曲線に比べて、食塩の曲線はなだらかで、温度が上がってもあまり溶けきる量は多くならないということがわかります。

ということは、硝酸カリウムと塩化ナトリウムの混合物があったとしたら、高温で高濃度の水溶液を作り冷却することで、硝酸カリウムの固体を析出させ分離することができるのです。

\次のページで「4.理解を深める計算問題」を解説!/

4.理解を深める計算問題

飽和溶液と溶解度について、さらに理解を深めるために、計算問題を解いてみましょう。

4-1.溶解度の計算問題

問題 40℃ において硝酸カリウムの溶解度は 63.9 (g/水100g)です。

(A)40℃ で 100 g の水に硝酸カリウムを 50 g 溶かしました。この溶液にはあと何 g の硝酸カリウムを溶かすことができますか。

溶解度 = 水 100 g に溶けきる最大の質量(g)なので

40℃ において水 100 g に溶けきる最大の硝酸カリウムの質量は 63.9 g。

今 50.0 g 溶かしたので

63.9 - 50.0 = 13.9

答えは 13.9 g になります。

(B)40℃ で水 250 g に溶かすことのできる硝酸カリウムは最大で何 g でしょうか。

40℃ で水 100 g に溶かすことのできる硝酸カリウムは最大で 63.9 g 。

水 250 g に溶かすことのできる最大の量は

63.9  × 2.5 =159.8

答えは 159.8 g になります。

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4-2.溶解度曲線と再結晶の計算問題

4-2.溶解度曲線と再結晶の計算問題

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問題 硝酸カリウムを 80℃ の水 100 g に溶かして飽和水溶液を作りました。この飽和水溶液を 20℃ まで冷却した時、硝酸カリウムは何 g 結晶として出てくるでしょうか?

まず、硝酸カリウムの溶解度曲線から 80℃ の水 100 g に溶けきる最大の質量は 168.8 g とわかります。ということは、最初の飽和水溶液には 168.8 g の硝酸カリウムが含まれるということです。

次に 20℃ の水 100 g に硝酸カリウムがどのくらい溶けるかを、溶解度曲線から読み取りましょう。20℃ の時の硝酸カリウムの溶解度は 31.6 ということは、硝酸カリウムは 20℃ の水 100 g に 31.6 g しか溶けないという事になります。

ということは、80℃の水 100 g に溶けている 168.8 g のうち 20℃ に冷却した場合 31.6 g しか溶けていられないので

168.8 - 31.6 = 137.2

答えは 137.2 g です。

飽和溶液とは溶質を溶けきる限界まで溶かした溶液で、溶解度曲線とは温度に対して物質が水 100 g 中に溶ける最大の質量を表したグラフ

物質を一定温度一定量の溶媒に溶かすとき、溶けられる量には限界があり、その量は決まっています。

飽和溶液とは、溶質を溶けきる限界まで溶かした溶液の事です。

溶解度曲線は、温度に対して100 g の水にその物質が溶けられる最大質量( g )を表したもので、温度を横軸・溶けられる最大量を縦軸にとって、固体の場合ほとんどが右肩上がりのグラフになります。

溶解度曲線を読み取ることで、物質の温度による溶解度の差を利用した再結晶法で、混合物を分離することができるのです。

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化学物質の状態・構成・変化理科

「飽和溶液」と「溶解度曲線」って何?元研究員がわかりやすく解説

水100gに一定温度でどんどん食塩を加えていったらどうなると思う?

加え始めたときはどんどん食塩は溶けていくが、ある程度の量を入れたら溶け残りが生じてしまうんです。この溶液のことを飽和溶液と言って、どのくらいの量溶けるかは温度と圧力によって変わってくるんです。

今回は「飽和溶液」と「溶解度曲線」について、化学実験を生業にしてきたライターwingと一緒に解説していきます。

ライター/wing

元製薬会社研究員。小さい頃から化学が好きで、実験を仕事にしたいと大学で化学を専攻した。卒業後は化学分析・研究開発を生業にしてきた。化学のおもしろさを沢山の人に伝えたい!

1.溶液と溶解度

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まず、溶解度とはなんのことでしょう?

溶解度とは一般的に水 100 g に対して最大限溶かすことのできる溶質の質量(g)のことをいいます。そして、温度と圧力が違えば溶解度は変わるのです。

まずは溶液とは何かから、紐解いていきましょう。

1-1.溶液とは何か

溶かす物質のことを溶媒、溶ける物質のことを溶質、溶質と溶媒を混合して均一になったものを溶液と言います。

食塩水でいうと、溶媒が水、溶質が食塩、溶液が食塩水です。

1-2.溶解度で何がわかる?

溶解度は水 100 g に対して、最大限溶かすことのできる溶質の質量(g)と説明しました。

20℃ で溶解度が 50 の物質といわれたら、20℃ で 100 g の水に 50 g まで溶かすことができるとわかります。

2.飽和溶液と溶解度曲線

溶解度曲線とは溶解度と温度の関係をグラフにしたものです。

溶解度曲線に入る前に、飽和溶液と溶解度、そして溶解度と温度の関係をまとめておきましょう。

2-1.飽和溶液と溶解度

飽和溶液とは、溶質を溶けきる限界まで溶かした溶液のことです。溶媒が水の場合は飽和水溶液ということもあります。

化学の用語でなくても、飽和していると言うといっぱいまで入っているという状態を想像しますよね。

つまり 50℃ で溶解度 30 の物質 A の飽和水溶液を作るには、50℃ の水 100 g に物質 A を 30 g 入れて均一に溶かせばよいのです。飽和溶液と溶解度の関係を何となく想像できたでしょうか?

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