溶解度曲線シミュレーション

この実験について

砂糖をお茶に入れてかき混ぜると消えてしまいますが、さらに加え続けると、やがて一部が底に残ります。この状態が飽和溶液です。物質がどれだけ溶けるかは温度によって異なり、溶解度曲線を見るとその関係がわかります。ビーカーの水に食塩を加えて加熱したり冷やしたりしながら、混合物をグラフ上の点として追ってみましょう。その点が曲線より上にあると、結晶が残ります。高温の飽和溶液を冷やすと結晶が現れます。

学習目標

溶解度と飽和溶液を定義する
溶解度曲線から溶解度の値を読み取る
溶解度曲線を使って、混合物が飽和か不飽和かを判断する
飽和溶液を冷やしたときにできる結晶の質量を計算する
溶解度曲線が異なる物質を、冷却による結晶化でどのように分離するか説明してください

使い方

120 °Cの硝酸カリウム水溶液に、結晶が底に残るまで塩を少しずつ加えます。質量を溶解度の表示値と比べてください。
220 °Cで、硝酸カリウム100 gを水100 gに加えます。80 °Cまで加熱すると、結晶はどうなりますか？
3次に溶液を10 °Cまで冷やします。何 °Cで結晶が現れ始めますか？何 gの結晶ができますか？
4塩化ナトリウムでも同じ実験をします。海水から塩の結晶を得る方法として、冷却が適していないのはなぜですか？
5水の量を200 gに増やします。溶ける量はどのように変わりますか？溶解度は変わりますか？
6硫酸リチウムを選び、飽和溶液を加熱します。その溶解度曲線にはどのような特徴がありますか？

モデル

solubility = \frac{mass of solute that dissolves}{100 g water}

ある温度での溶解度

m_{m a x} = \frac{S ( T )}{100} \times m_{water}

一定量の水に溶ける溶質の最大量

m_{crystals} = \frac{m _{water}}{100} (S (T_{1}) - S (T_{2}))

飽和溶液をT₁からT₂まで冷やしたときにできる結晶

前提条件

値は10 °C刻みの標準データ表から取得し、表の値を決して超えない滑らかな曲線で結んでいます。
溶液は常にすぐに平衡に達します。実際の溶液は、結晶が現れるまでしばらく過飽和状態を保つことがあります。
溶液を加熱しても水は蒸発しません。硫酸銅は無水物の CuSO₄ として扱われますが、青色の水和物として結晶化します。

授業で試してみましょう

Q150 °C における硝酸カリウムの溶解度はいくらですか？
Q240 °C で、塩化カリウム 50 g を水 100 g に加えてかき混ぜます。この溶液は飽和していますか？溶けずに残る量はいくらですか？
Q3水 100 g に硝酸カリウムを溶かして作った飽和溶液を、60 °C から 20 °C まで冷やします。何 g の結晶ができますか？
Q4少量の塩化ナトリウムを含む硝酸カリウムの混合物を熱湯に溶かして冷やします。どちらの物質が先に結晶として析出しますか？なぜですか？
Q5水温が上がると、気体は水に溶けにくくなります。発電所の近くを流れる川では、これが魚にどのような害を及ぼすことがありますか？

よくある質問

ほとんどの固体が熱い水によく溶けるのはなぜですか？

ほとんどの塩では、溶解する際に周囲からエネルギーを取り込みます。温度を上げるとそのエネルギーが供給されるため、溶液が飽和するまでに、より多くの固体を溶かすことができます。

曲線より下の点は何を意味しますか？

溶液は不飽和です。その温度で溶ける量よりも少ない溶質しか含んでいないため、まださらに溶かすことができます。曲線より上の点は、固体の一部が溶けずに残ることを意味します。

塩化ナトリウムの曲線はなぜこれほど平らなのですか？

温度によって溶解度がほとんど変化しないためです。20 °Cでは約36 g、100 °Cでは約40 gです。海水から塩を得るには、冷却するのではなく水を蒸発させなければなりません。