第11章溶液とコロイド

Key Concepts and Summary重要な概念とまとめ

A solution forms when two or more substances combine physically to yield a mixture that is homogeneous at the molecular level. The solvent is the most concentrated component and determines the physical state of the solution. The solutes are the other components typically present at concentrations less than that of the solvent. Solutions may form endothermically or exothermically, depending upon the relative magnitudes of solute and solvent intermolecular attractive forces. Ideal solutions form with no appreciable change in energy.

二種類以上の物質が物理的に混ざり合い、分子の規模で均一な混合物になると、溶液ができる。溶媒は最も濃度が高い成分で、溶液の物理的状態を決める。溶質はそれ以外の成分で、通常、溶媒より低い濃度で存在する。溶液の形成は、溶質と溶媒の分子間引力の相対的な大きさに応じて、吸熱的にも発熱的にもなる。理想溶液は、無視できないほどのエネルギー変化を伴わずに形成される。

Chemistry End of Chapter Exercises化学の章末問題

Exercises 1–8練習問題 1–8

Exercise 1問題 1

How do solutions differ from compounds? From other mixtures?

溶液は化合物とどう違うか。また、ほかの混合物とはどう違うか。

Solution解き方

A solution can vary in composition, while a compound cannot vary in composition. Solutions are homogeneous at the molecular level, while other mixtures are heterogeneous.

溶液は組成を変えられるが、化合物は変えられない。溶液は分子の規模で均一であるが、ほかの混合物は不均一である。

Exercise 2問題 2

Which of the principal characteristics of solutions are evident in the solutions of K₂Cr₂O₇ shown in Figure 11.2?

図11.2のK₂Cr₂O₇水溶液には、溶液の主要な特徴のうち、どの特徴がはっきり現れているか。

Exercise 3問題 3

When KNO₃ is dissolved in water, the resulting solution is significantly colder than the water was originally.

KNO₃を水に溶かすと、できた溶液は、もとの水よりかなり冷たくなる。

(a) Is the dissolution of KNO₃ an endothermic or an exothermic process?

(a) KNO₃の溶解は、吸熱過程か、発熱過程か。

(b) What conclusions can you draw about the intermolecular attractions involved in the process?

(b) この過程に関わる分子間引力について、どのような結論を導けるか。

Solution解き方

(a) The process is endothermic as the solution is consuming heat. (b) Attraction between the K⁺ and

N O_{3}^{−}

ions is stronger than between the ions and water molecules (the ion-ion interactions have a lower, more negative energy). Therefore, the dissolution process increases the energy of the molecular interactions, and it consumes the thermal energy of the solution to make up for the difference. (c) No, an ideal solution is formed with no appreciable heat release or consumption.

(a) 溶液が熱を消費しているので、吸熱過程である。(b) K⁺と

N O_{3}^{−}

のイオン間の引力は、イオンと水分子の間の引力より強くなっている（イオン間相互作用のエネルギーのほうが低く、より負である）。したがって、溶解によって分子相互作用のエネルギーが増し、その差を埋めるために溶液の熱エネルギーを消費する。(c) いいえ。理想溶液は、大きな熱の放出や消費を伴わずにできる。

Exercise 4問題 4

Give an example of each of the following types of solutions:

次の種類の溶液の例を、それぞれ挙げなさい。

(a) a gas in a liquid

(a) 液体に気体が溶けたもの

(b) a gas in a gas

(b) 気体に気体が溶けたもの

Exercise 5問題 5

Indicate the most important types of intermolecular attractions in each of the following solutions:

次の各溶液で最も重要な分子間引力の種類を示しなさい。

(a) The solution in Figure 11.2.

(a) 図11.2の溶液

(b) NO(l) in CO(l)

(b) CO(l)中のNO(l)

(d) HCl(g) in benzene C₆H₆(l)

(d) ベンゼンC₆H₆(l)中のHCl(g)

(e) Methanol CH₃OH(l) in H₂O(l)

(e) H₂O(l)中のメタノールCH₃OH(l)

Solution解き方

(a) ion-dipole forces; (b) dipole-dipole forces; (c) dispersion forces; (d) dispersion forces; (e) hydrogen bonding

(a) イオン–双極子力、(b) 双極子–双極子力、(c) 分散力、(d) 分散力、(e) 水素結合

Exercise 6問題 6

Predict whether each of the following substances would be more soluble in water (polar solvent) or in a hydrocarbon such as heptane (C₇H₁₆, nonpolar solvent):

次の各物質は、水（極性溶媒）と、ヘプタンC₇H₁₆のような炭化水素（無極性溶媒）のどちらに、より溶けやすいか予測しなさい。

(a) vegetable oil (nonpolar)

(a) 植物油（無極性）

(b) isopropyl alcohol (polar)

(b) イソプロピルアルコール（極性）

Exercise 7問題 7

Heat is released when some solutions form; heat is absorbed when other solutions form. Provide a molecular explanation for the difference between these two types of spontaneous processes.

できるときに熱を放出する溶液もあれば、熱を吸収する溶液もある。この二種類の自発的過程の違いを、分子の観点から説明しなさい。

Solution解き方

Heat is released when the total intermolecular forces (IMFs) between the solute and solvent molecules are stronger than the total IMFs in the pure solute and in the pure solvent: Breaking weaker IMFs and forming stronger IMFs releases heat. Heat is absorbed when the total IMFs in the solution are weaker than the total of those in the pure solute and in the pure solvent: Breaking stronger IMFs and forming weaker IMFs absorbs heat.

溶質分子と溶媒分子の間の分子間力（IMF）の全体が、純粋な溶質と純粋な溶媒の分子間力の合計より強いとき、熱が放出される。弱い分子間力を切り、強い分子間力をつくると、熱が放出されるからである。溶液中の分子間力の全体が、純粋な溶質と純粋な溶媒の分子間力の合計より弱いとき、熱が吸収される。強い分子間力を切り、弱い分子間力をつくると、熱が吸収されるからである。

Exercise 8問題 8

Solutions of hydrogen in palladium may be formed by exposing Pd metal to H₂ gas. The concentration of hydrogen in the palladium depends on the pressure of H₂ gas applied, but in a more complex fashion than can be described by Henry’s law. Under certain conditions, 0.94 g of hydrogen gas is dissolved in 215 g of palladium metal (solution density = 10.8 g cm³).

金属PdをH₂気体にさらすと、パラジウムに水素が溶けた溶液ができる。パラジウム中の水素濃度は、加えたH₂気体の圧力に依存するが、その関係はヘンリーの法則で表せるものより複雑である。ある条件で、金属パラジウム215 gに水素気体0.94 gが溶けている（溶液の密度 = 10.8 g cm³）。

(a) Determine the molarity of this solution.

(a) この溶液のモル濃度を求めなさい。

(b) Determine the molality of this solution.

(b) この溶液の質量モル濃度を求めなさい。

alloy

合金

solid mixture of a metallic element and one or more additional elements

金属元素と、一種類以上の追加の元素からなる固体混合物。

ideal solution

理想溶液

solution that forms with no accompanying energy change

エネルギー変化を伴わずに形成される溶液。

solvation

溶媒和

exothermic process in which intermolecular attractive forces between the solute and solvent in a solution are established

溶液中で溶質と溶媒の間に分子間引力が形成される、発熱過程。

spontaneous process

自発的過程

physical or chemical change that occurs without the addition of energy from an external source

外部のエネルギー源からエネルギーを加えなくても起こる、物理変化または化学変化。