2004 年度から「分析実験の基礎」の課題に、レポート作成の演習を組み込むことになりました。 その題材としてセスキ炭酸ナトリウムの塩酸への溶解を取り上げることにしました。 2003 年度までは「分析実験の基礎」の中の「実験データの取り扱い」の題材として、炭酸カルシウムの塩酸への溶解を取り上げていました。 レポート作成の練習の題材として考えた時、炭酸カルシウムの塩酸への溶解は中学校・高校でも出会う反応で新規性に乏しく、セスキ炭酸ナトリウムを取り上げることにしたのです。

セスキ炭酸ナトリウムの塩酸への溶解　２００４年度

吉村洋介

セスキ炭酸ナトリウムは炭酸水素ナトリウムと炭酸ナトリウムの複塩で、Na₂CO₃・NaHCO₃・2H₂O（式量 226.03）という組成を持つ物質です（「セスキ炭酸ナトリウム」という名称は誤っているのですが、歴史的な事情もあって今も用いられています）。 セスキ炭酸ナトリウムは次式にしたがって塩酸に二酸化炭素を発生して溶けます。

この反応の量論的な関係を二酸化炭素の発生による質量の変化によって調べるわけです。 二酸化炭素が失われる分だけ重量が減少するなら、加えたセスキ炭酸ナトリウムの質量の 38.9% が失われる勘定になります。

なお実験を企画するに当たって炭酸水素ナトリウムを用いることも考えたのですが、発泡が激しく、三角フラスコから泡が溢れ出たりして好ましくないと判断しました。 また炭酸ナトリウムは風解したり（十水塩）して取り扱いに注意が必要なので最初から考慮しませんでした。

実験

実験は２人ずつのグループで実施しました。 実験は次のような手順で進めます：

操作は炭酸カルシウムの溶解実験の場合とほぼ同様で、塩酸には標定済みの市販の 1.00 mol/L 分析用試薬（ファクター値 1.005）を用いています。 炭酸カルシウムの溶解実験から変更したのは、共栓付きの三角フラスコを用い、また反応初期の変化をより詳細に見てもらうため最初は 0.2 g 加えることにした所です（共栓付きの三角フラスコは、以前、さる業者の方から“不良在庫”を引き取ったものを用いました）。 1.005 mol/L 塩酸を 50 mL 使っているので、計算上当量のセスキ炭酸ナトリウムは 3.79 g、発生する二酸化炭素は 1.47 g になるはずです。

炭酸カルシウムと比べると、セスキ炭酸ナトリウムは針状結晶でサラサラして取り扱いは楽です。 また水によく溶け、沈殿などできないので処理も問題ありません。 しかし無色透明の結晶なので、完全に溶解したかどうかの判定には注意を要し、十分溶けきっていないのに次々とセスキ炭酸ナトリウムを加えているケースがありました。

実験の所要時間はグループによってばらつきはありましたが、実験に取り掛かって遅くとも３０分ぐらいで終了していたようです。 ドラフト中で秤量すると排気の風の影響が出たりするので、秤量を部屋の中央に置いたテーブルでやってもらうようにしたりしたのですが、秤量してからドラフトまで行く途中で試料をこぼしたらしい例が見られ検討が必要です。 また二酸化炭素の発生する操作をドラフトで行うことが徹底しなかったのは反省点です。

学生実験の結果　２００４年度

２５グループが実験を行い、その内１１グループの結果を示したのが図１です。 反応初期では、発生した二酸化炭素の溶液への溶解、フラスコ内の空気の二酸化炭素による置換が起き、質量欠損はゆっくり増加していきます。 0.5 g 加えたあたりからほぼ定常的に反応が進行して二酸化炭素の放出による質量欠損が起き、3.5 g を過ぎたあたりで反応は終息して二酸化炭素の発生が止まり、質量欠損も生じなくなります。

図１．セスキ炭酸ナトリウムの塩酸への溶解にともなう質量欠損。1.005 mol/L 塩酸 50.0 mL への溶解。2004年度の結果。

二酸化炭素の発生が定常的に起きている領域では、質量欠損の直線の勾配は 0.39。 式量からの計算値 0.389 とぴったり一致します。 炭酸カルシウムの場合もそうでしたが驚くべき一致というべきでしょう。

次に反応の当量点、あるいは発生する二酸化炭素の総量について見てみます。 図１の２直線の交点が当量点を算出すると、当量点はセスキ炭酸ナトリウムを 3.7 g 程度加えたところと推定されます。 これは式量から計算される 3.79 g より 0.1 g 小さいですが、よく一致していると言ってよいでしょう。 また目視観察から、3.7 g 加えたあたりで二酸化炭素の発生が止まっています。 共栓付きの三角フラスコにしたことで二酸化炭素の流出が防げたことが、こうした結果につながったものと思われます。

発生した二酸化炭素の総量は、最終的な質量欠損の値 Δm_inf に、溶液中に溶存する二酸化炭素量などを加えて得られます。 溶液中に溶存する二酸化炭素量などは、図１の赤い直線の切片で評価でき、発生した二酸化炭素の総量は 1.45 g。 ここからも実験結果が計算値 1.47 g とよく一致していることが確認できます。

なおもしセスキ炭酸ナトリウムが大過剰存在すれば、たとえば次式のような反応が起き、二酸化炭素の発生は起こりません。

予備実験においては当量点が 0.2 g ほど低く（二酸化炭素の発生量も低く）出ました。 今回の学生の皆さんの実験結果でも、当量点が低く出る傾向にあるのは、このような反応の寄与があるのかもしれません。 これがセスキ炭酸ナトリウムではなく炭酸カルシウムであれば、炭酸カルシウムの溶解度が低いために炭酸水素カルシウム濃度はあまり高くならず大きな問題にはならないでしょう。

おわりに

塩酸に対するセスキ炭酸ナトリウムの溶解の実験で、3％以上の精度でセスキ炭酸ナトリウム中の二酸化炭素含量を得ることができます。 また二酸化炭素含量には若干精度は劣るようですが、高い精度で当量関係も得ることができます。 セスキ炭酸ナトリウムはサラサラした結晶で、炭酸カルシウムのように粉を扱うよりは取り扱いが楽ですし、溶解度が高いので廃液処理の際に濁った溶液を扱わないで済みます。 また何より値段が手ごろです。 こうした点でセスキ炭酸ナトリウムの塩酸への溶解実験は、量論に関わる実験の題材として（炭酸水素イオンの生成反応が副反応として起きる可能性を除けば、）大いにお奨めです。