第11章溶液とコロイド

Key Concepts and Summary重要な概念とまとめ

The extent to which one substance will dissolve in another is determined by several factors, including the types and relative strengths of intermolecular attractive forces that may exist between the substances’ atoms, ions, or molecules. This tendency to dissolve is quantified as a substance’s solubility, its maximum concentration in a solution at equilibrium under specified conditions. A saturated solution contains solute at a concentration equal to its solubility. A supersaturated solution is one in which a solute’s concentration exceeds its solubility—a nonequilibrium (unstable) condition that will result in solute precipitation when the solution is appropriately perturbed. Miscible liquids are soluble in all proportions, and immiscible liquids exhibit very low mutual solubility. Solubilities for gaseous solutes decrease with increasing temperature, while those for most, but not all, solid solutes increase with temperature. The concentration of a gaseous solute in a solution is proportional to the partial pressure of the gas to which the solution is exposed, a relation known as Henry’s law.

ある物質が別の物質にどの程度溶けるかは、いくつかの要因で決まる。その中には、両物質の原子、イオン、分子の間に存在し得る分子間引力の種類と相対的な強さがある。溶ける傾向は溶解度として定量化され、指定した条件で平衡にある溶液中の最大濃度を表す。飽和溶液は、溶解度に等しい濃度の溶質を含む。過飽和溶液は、溶質の濃度が溶解度を超えた非平衡、すなわち不安定な状態である。適切な刺激を与えると溶質が沈殿する。混和する液体はどんな比率でも溶け合い、不混和の液体は互いにほとんど溶けない。気体溶質の溶解度は温度上昇とともに下がる。一方、固体溶質の大部分は温度上昇とともに溶解度が高くなるが、すべてではない。溶液中の気体溶質の濃度は、その溶液が接する気体の分圧に比例し、この関係をヘンリーの法則と呼ぶ。

Key Equations重要な式

C_{g} = k P_{g}

Chemistry End of Chapter Exercises化学の章末問題

Exercises 16–25練習問題 16–25

Exercise 16問題 16

Suppose you are presented with a clear solution of sodium thiosulfate, Na₂S₂O₃. How could you determine whether the solution is unsaturated, saturated, or supersaturated?

チオ硫酸ナトリウムNa₂S₂O₃の透明な溶液が与えられたとする。この溶液が不飽和、飽和、過飽和のどれであるかを、どう判定できるか。

Exercise 17問題 17

Supersaturated solutions of most solids in water are prepared by cooling saturated solutions. Supersaturated solutions of most gases in water are prepared by heating saturated solutions. Explain the reasons for the difference in the two procedures.

大部分の固体の水への過飽和溶液は、飽和溶液を冷やしてつくる。大部分の気体の水への過飽和溶液は、飽和溶液を加熱してつくる。この二つの手順が異なる理由を説明しなさい。

Solution解き方

The solubility of solids usually decreases upon cooling a solution, while the solubility of gases usually decreases upon heating.

固体の溶解度は通常、溶液を冷やすと下がり、気体の溶解度は通常、加熱すると下がる。

Exercise 18問題 18

Suggest an explanation for the observations that ethanol, C₂H₅OH, is completely miscible with water and that ethanethiol, C₂H₅SH, is soluble only to the extent of 1.5 g per 100 mL of water.

エタノールC₂H₅OHは水と完全に混和するのに、エタンチオールC₂H₅SHは水100 mLに1.5 gしか溶けないという観察結果について、説明を考えなさい。

Exercise 19問題 19

Calculate the percent by mass of KBr in a saturated solution of KBr in water at 10 °C. See Figure 11.16 for useful data, and report the computed percentage to one significant digit.

10 °CのKBr飽和水溶液におけるKBrの質量百分率を計算しなさい。図11.16のデータを参照し、計算した百分率を有効数字1桁で答えなさい。

Solution解き方

40%

Exercise 20問題 20

Which of the following gases is expected to be most soluble in water? Explain your reasoning.

次の気体のうち、水に最も溶けやすいと予想されるものはどれか。理由を説明しなさい。

(a) CH₄

(b) CCl₄

Exercise 21問題 21

At 0 °C and 1.00 atm, as much as 0.70 g of O₂ can dissolve in 1 L of water. At 0 °C and 4.00 atm, how many grams of O₂ dissolve in 1 L of water?

0 °C、1.00 atmでは、1 Lの水にO₂が0.70 gまで溶ける。0 °C、4.00 atmでは、1 Lの水にO₂が何g溶けるか。

Solution解き方

2.8 g

Exercise 22問題 22

Refer to Figure 11.10.

図11.10を参照しなさい。

(a) How did the concentration of dissolved CO₂ in the beverage change when the bottle was opened?

(a) 瓶を開けたとき、飲料に溶けたCO₂の濃度はどう変化したか。

(b) What caused this change?

(b) この変化の原因は何か。

Exercise 23問題 23

The Henry’s law constant for CO₂ is 3.4

\times

10⁻² M/atm at 25 °C. Assuming ideal solution behavior, what pressure of carbon dioxide is needed to maintain a CO₂ concentration of 0.10 M in a can of lemon-lime soda?

CO₂のヘンリーの法則の定数は、25 °Cで3.4

\times

10⁻² M/atmである。理想溶液として振る舞うと仮定すると、レモンライムソーダの缶でCO₂濃度を0.10 Mに保つには、二酸化炭素の圧力がいくら必要か。

Solution解き方

2.9 atm

Exercise 24問題 24

The Henry’s law constant for O₂ is 1.3

\times

10⁻³ M/atm at 25 °C. Assuming ideal solution behavior, what mass of oxygen would be dissolved in a 40-L aquarium at 25 °C, assuming an atmospheric pressure of 1.00 atm, and that the partial pressure of O₂ is 0.21 atm?

O₂のヘンリーの法則の定数は、25 °Cで1.3

\times

10⁻³ M/atmである。理想溶液として振る舞い、大気圧が1.00 atm、O₂分圧が0.21 atmとすると、25 °Cの40 Lの水槽に溶ける酸素の質量はいくらか。

Exercise 25問題 25

Assuming ideal solution behavior, how many liters of HCl gas, measured at 30.0 °C and 745 torr, are required to prepare 1.25 L of a 3.20-M solution of hydrochloric acid?

理想溶液として振る舞うと仮定して、3.20 Mの塩酸1.25 Lを調製するには、30.0 °C、745 torrで測ったHCl気体が何L必要か。

Solution解き方

102 L HCl

Henry’s law

ヘンリーの法則

the proportional relationship between the concentration of dissolved gas in a solution and the partial pressure of the gas in contact with the solution

溶液中の溶存気体濃度と、溶液に接する気体の分圧との比例関係。

immiscible

不混和

of negligible mutual solubility; typically refers to liquid substances

互いの溶解度が無視できるほど小さいこと。通常は液体物質についていう。

miscible

混和性

mutually soluble in all proportions; typically refers to liquid substances

どんな比率でも互いに溶けること。通常は液体物質についていう。

partially miscible

部分混和

of moderate mutual solubility; typically refers to liquid substances

互いの溶解度が中程度であること。通常は液体物質についていう。

saturated

飽和

of concentration equal to solubility; containing the maximum concentration of solute possible for a given temperature and pressure

濃度が溶解度に等しいこと。与えられた温度と圧力で可能な最大濃度の溶質を含むこと。

solubility

溶解度

extent to which a solute may be dissolved in water, or any solvent

溶質が水、またはその他の溶媒にどの程度溶けるかを表すもの。

supersaturated

過飽和

of concentration that exceeds solubility; a nonequilibrium state

濃度が溶解度を超えた状態。非平衡状態。

unsaturated

不飽和

of concentration less than solubility

濃度が溶解度より低いこと。