- 砂糖を水に入れたけど、「とける」と「消える」の違いが分からない…
- 質量パーセント濃度の計算で、何を何で割るのか迷う…
- 溶解度のグラフが出てくると、手が止まってしまう…
こういう人に向けて、水溶液の性質と溶解度をまとめました。
結論からいうと、水溶液は「透明で、濃さがどこも同じで、時間がたっても溶質が沈まない」液体です。
そして溶解度は「100gの水に溶ける物質の最大の質量」で、温度によって決まります。
水溶液とは
水溶液とは、物質が水に溶けてできた液のことです。
このとき、溶けている物質を溶質、溶かしている液体を溶媒、溶質が溶媒に溶けた液全体を溶液といいます。
溶媒が水の溶液が水溶液です。
図のように、砂糖20gを水100gに溶かすと、砂糖水は120gになります。
溶質の質量と溶媒の質量を足したものが、溶液の質量です。
砂糖は見えなくなっても、なくなったわけではありません。
水溶液の3つの性質
- 透明である（青い硫酸銅水溶液のように色がついていても、向こう側が見えれば透明です）
- 濃さがどこも同じ（上のほうも下のほうも同じ濃さです）
- 時間がたっても溶質が沈まない（そのまま置いておいても、底にたまりません）
溶質は目に見えないほど小さい粒になって、水の中に均一に散らばっています。
そのため、ろ紙でろ過しても、溶質はろ紙を通りぬけてしまいます。
デンプンを水に混ぜた白くにごった液は、時間がたつと底に沈むので、水溶液ではありません。
質量パーセント濃度の求め方
水溶液の濃さは、質量パーセント濃度で表します。
質量パーセント濃度〔％〕＝溶質の質量〔g〕÷溶液の質量〔g〕×100
割る数は、溶媒（水）ではなく、溶液全体の質量です。
例題
砂糖20gを水100gに溶かしたときの、質量パーセント濃度を求めましょう。
- 溶液の質量は、100＋20＝120〔g〕
- 濃度は、20÷120×100＝16.66…
- 小数第2位を四捨五入して、16.7％
溶質の質量を求めたいときは、式を変形して、溶質の質量〔g〕＝溶液の質量〔g〕×濃度〔％〕÷100とします。
溶解度と飽和水溶液
物質が水に溶ける量には、限りがあります。
物質がそれ以上溶けられなくなった水溶液を飽和水溶液といいます。
100gの水に溶ける物質の最大の質量を、その物質の溶解度といいます。
溶解度は物質によって違い、同じ物質でも水の温度によって変わります。
固体の溶解度は、水の温度が高いほど大きくなるものが多いです。
ただし、食塩（塩化ナトリウム）は、温度が変わっても溶解度がほとんど変わりません。
再結晶のしくみ
溶解度が温度で大きく変わる物質は、飽和水溶液を冷やすと、溶けきれなくなった分が固体として出てきます。
この固体を結晶といい、溶かした物質を結晶として取り出すことを再結晶といいます。
図のように、飽和している水溶液を冷やすと、水の質量は変わらないまま、溶けていられる量だけが減って、結晶が出てきます。
出てくる結晶の質量は、次の式で求められます。
出てくる結晶の質量〔g〕＝冷やす前に溶けていた量〔g〕－冷やしたあとに溶けられる量〔g〕
| 物質 | 温度による溶解度の変化 | 結晶の取り出し方 |
|---|---|---|
| 硝酸カリウム・ミョウバン | 大きく変わる | 水溶液を冷やす |
| 食塩 | ほとんど変わらない | 水を蒸発させる |
よくある間違い
「溶ける」と「消える」を同じだと思う
砂糖を水に溶かしても、砂糖の質量はなくなりません。
溶液の質量は、溶質と溶媒の質量の合計になります。
「透明」と「無色」を同じだと思う
硫酸銅水溶液は青色ですが、透明です。
水溶液の条件は「透明」であって、「無色」ではありません。
濃度の分母に水の質量を入れてしまう
質量パーセント濃度は、溶質の質量を溶液全体の質量で割ります。
水100gに砂糖20gなら、割るのは100ではなく、120です。
食塩水を冷やせば結晶が出ると思う
食塩は溶解度があまり変わらないので、冷やしてもほとんど結晶が出ません。
食塩を取り出したいときは、水を蒸発させます。
入試ではこう出る
入試では、溶解度曲線のグラフを読み取って、出てくる結晶の質量を求める問題がよく出ます。
次の図は、2つの物質の溶解度を表したものです。
図の物質Ⅰは、10℃のとき22g、60℃のとき109gが100gの水に溶けます。
物質Ⅱは、10℃のとき36g、60℃のとき37gです。
ここから、物質Ⅰは冷やすと結晶がたくさん出て、物質Ⅱはほとんど出ないと読み取れます。
このグラフを使って、練習問題を解いてみましょう。
練習問題
問1 水100gに砂糖25gを溶かしました。
この砂糖水の質量パーセント濃度は何％ですか。
問2 濃度が10％の食塩水300gには、食塩が何g溶けていますか。
また、水は何gですか。
問3 上の図の物質Ⅰについて、60℃の水100gに溶けるだけ溶かした飽和水溶液を、10℃まで冷やしました。
出てくる結晶は何gですか。
問4 上の図の物質Ⅱについて、問3と同じように、60℃の水100gの飽和水溶液を10℃まで冷やしました。
出てくる結晶は何gですか。
問5 上の図の物質Ⅰの、60℃の飽和水溶液の質量パーセント濃度は何％ですか。
小数第2位を四捨五入して答えなさい。
問6 食塩水から食塩を取り出すとき、冷やす方法ではなく、水を蒸発させる方法を使うのはなぜですか。
理由を書きなさい。
解答と解説
問1 答え: 20％
溶液の質量は、100＋25＝125〔g〕です。
濃度＝25÷125×100＝20〔％〕
問2 答え: 食塩30g、水270g
溶質の質量＝溶液の質量×濃度÷100なので、300×10÷100＝30〔g〕です。
水の質量は、溶液から溶質を引いて、300－30＝270〔g〕です。
問3 答え: 87g
グラフより、物質Ⅰは60℃で109g、10℃で22gまで溶けます。
溶けきれなくなった分が結晶になるので、109－22＝87〔g〕です。
問4 答え: 1g
物質Ⅱは60℃で37g、10℃で36gまで溶けます。
37－36＝1〔g〕しか出てきません。
問5 答え: 52.2％
60℃で100gの水に109g溶けるので、溶液の質量は100＋109＝209〔g〕です。
濃度＝109÷209×100＝52.15…なので、小数第2位を四捨五入して52.2〔％〕です。
割るのは水の100gではなく、溶液全体の209gです。
問6 答えの例: 食塩は温度による溶解度の変化がほとんどなく、冷やしても結晶がほとんど出てこないから。
食塩のように溶解度があまり変わらない物質は、冷やしても溶けきれなくなる量が少ないので、結晶がほとんど取り出せません。
水を蒸発させて、溶媒の量を減らせば、溶けていた食塩を結晶として取り出せます。
まとめ
- 水溶液は、透明で、濃さがどこも同じで、時間がたっても溶質が沈まない
- 溶液の質量＝溶質の質量＋溶媒の質量
- 質量パーセント濃度〔％〕＝溶質の質量÷溶液の質量×100（割るのは溶液全体）
- 溶解度は、100gの水に溶ける物質の最大の質量
- 出てくる結晶の質量＝冷やす前に溶けていた量－冷やしたあとに溶けられる量
- 食塩は冷やしても結晶がほとんど出ないので、水を蒸発させて取り出す
溶解度のグラフは、まず「どの温度で何gまで溶けるか」を読み取るところから始めましょう。
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高校受験ラボ・進学塾リードアップ代表の山田優輔です！
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