「化学教育ジャーナル(CEJ)」第11巻第1号(通巻20号)発行2008年11月11日/採録番号11-4/2008年6月5日受理
URL = http://chem.sci.utsunomiya-u.ac.jp/cejrnl.html
溶液の濃度計算と調製方法のインターネットによる自動サービス
−シュウ酸水溶液およびシュウ酸ナトリウム水溶液−
芦田実*,遠藤尊士,新保佳奈美
埼玉大学 教育学部
〒338-8570 埼玉県さいたま市桜区下大久保255
E-mail: ashida@mail.saitama-u.ac.jp
Automatic Services of Calculating Data and for the Preparation of Solutions by Using
Internet: - Oxalic Acid Aqueous Solution and Sodium Oxalate Aqueous Solution -
Minoru Ashida*, Takashi Endou, and Kanami Shinpo
Faculty of Education, Saitama University
255 Shimo-ohkubo, Sakura-ku, Saitama, Saitama, 338-8570 Japan
1.はじめに
本研究室では,インターネットを利用して学外との双方向の交流を目指し,利用者の立場に立ってそのニーズに応えるためのホームページ[文献1]を試作している.そのために,化学の質問箱を開設したり,溶液の濃度計算と調製方法のサービスなど[文献2〜7]を開始している.質問箱は閲覧数や質問の回答数が最盛期を過ぎたように思える(閲覧数は最盛期に約54000件/年,最近は約27000件/年で,回答数は最盛期に141件/年,最近は64件/年である)が,その他のサービスは利用者が少ない.そこで,多くの人に知ってもらい,また利用してもらうために,本報告で紹介することにした.今,学校では理科離れが進んでいる.理科(化学)の面白さは実験を通して伝えられることが多いと思われる.そこで,理科離れを少しでも減らすために,また学校で少しでも多く理科(化学)実験を行ってもらうために,化学系実験の基礎である水溶液の作り方(濃度計算と調製方法)[文献2〜6]の自動サービスを行っている.コンピュータに弱い人でも何の予備知識もなしに,いつでも必要なときに使用できる.さらにダウンロードサービスも開始しているので,圧縮ファイルをダウンロードして解凍すればこのプログラムはパソコンの中だけ(オフライン)でも実行できる.
前報では,塩化ナトリウム水溶液[文献2],酢酸,塩酸,アンモニア水,水酸化ナトリウム水溶液[以上が文献3],硝酸,硫酸[以上が文献4],固体無水物の溶解度[文献5],二酸化炭素と石灰水[文献6]について報告し,ホームページですでにサービスを開始している.本報告では,次に利用度の高いと思われるシュウ酸水溶液およびシュウ酸ナトリウム水溶液を開発し,ホームページで公開することにした.これらの水溶液は酸・塩基滴定や酸化・還元滴定の一次標準試薬として重要であり,特に高等学校や大学等の化学実験の準備に役立つと考えられる.
2.利用者の操作方法
ここでは,シュウ酸水溶液の調製方法を中心に説明する.「溶液の作り方(濃度計算と調製方法)」[文献8]のメニューから「シュウ酸水溶液」[文献9]をクリックすると,最初の画面(図1)が表示される.同様に「シュウ酸ナトリウム水溶液」[文献10]を選択した場合にも,最初の画面(図2)が表示される(操作方法は,以下のシュウ酸水溶液の場合とほぼ同様である).シュウ酸水溶液では,一番上の5つのテキストボックスとその真下のボタンが対応している.市販の高純度シュウ酸は二水和物なので濃度計算するときに,これに含まれる結晶水の量と溶解に使用する純水の量を区別する必要がある.そこで,溶解に使用する純水のことを「溶解水」と以後呼ぶことにする.シュウ酸二水和物の質量と溶解水の体積から水溶液の濃度を計算する場合や,濃度と水溶液の体積から水溶液を調製するために必要なシュウ酸二水和物の質量と溶解水の体積を求める場合には,2つのテキストボックスに数値(例えば,質量百分率濃度と溶解後の溶液体積)を半角文字で入力する.そして,どれか空のテキストボックスの真下のボタン(例えば,シュウ酸の質量)を押す.このとき,押したボタンの真上のテキストボックスに数値が入力されていても,入力されていないものとして扱われる.プログラムが自動的に空のテキストボックス全ての数値を計算して,緑色の文字で表示する(図3).例えば,5.432E-1や1.234e5のような指数形式での入力も可能である.ただし,半角E(またはe)の後ろに半角空白を入れるとエラーになる.
このプログラムは,濃度の計算方法を全く知らない人が使用することを想定しているので,でたらめに操作しても可能な限り動くように考慮している.その1つとして,上述のように2つのテキストボックスに数値を入力すれば計算できるわけだが,3つ以上のテキストボックスに数値を入力してもプログラムは動くようにしている.ただし,計算は2つの数値を採用して行う.そのときの優先順位を表1に示す(シュウ酸ナトリウムでも優先順位は同様である).3つ以上の数値を入力する場合には,採用されなかった数値が計算により変化しない(すなわち,でたらめな数値ではない)ことが望ましい.再び計算する前に,全部の数値または計算値のみを右端のボタンで消去できる.なお,数値を消去せずに,前回の数値の1つを変更してボタンを押しても,変更した値が採用の優先順位によって元に戻ってしまうことがある.
溶解度(25℃の飽和濃度)を超過した場合には,赤字で警告を表示する(図4)が,計算はできるようにしている.濃度を換算する場合には,質量百分率濃度かモル濃度のうち,どちらか一方のテキストボックスに数値を入力する.そして,数値を入れなかったほうのテキストボックスの真下のボタンを押す(図5).その他,操作を間違えて計算できないときは,エラーが表示される(図6).計算が終了し5つのテキストボックスに数値が入っている状態で,5つのボタンを適当に押すと,数値がわずかに変化する.これは,表示用に数値を四捨五入したときの誤差と採用の優先順位による計算順序・方法の変化による誤差が原因である.
3.水溶液の調製方法と注意事項(図1,図2)
ホームページの画面に,Java Appletのプログラムだけでなく,以下のような具体的な調製方法と安全等のための注意事項を載せている.また,主な実験器具の写真と使用方法等も載せている.
必要な器具は,前もって洗浄し乾燥しておく.電子天秤(図7)を用いて秤量ビン(図8)またはビーカー(図9)にシュウ酸二水和物(またはシュウ酸ナトリウム)をはかりとる.蒸留水を秤量ビン(図8)またはビーカー(図9)に加えて溶かし,溶けた部分をこぼさないように注意してメスフラスコ(図10)に移す.固体が見えなくなっても,3〜4回繰り返し,完全にメスフラスコに移す.ときどきかき混ぜながら,メスフラスコ(図10)に蒸留水を加え,メニスカスを標線に合わせる.必要ならば,試薬ビンに移して保管する.試薬名,濃度,作成日,作成者などを書いたラベルを付ける.
シュウ酸(またはシュウ酸ナトリウム)水溶液が口に入ったら直ぐに吐き出して,うがいをする.また,シュウ酸(またはシュウ酸ナトリウム)水溶液が目に入ったり,皮膚についたら直ぐに水で洗い流す.天秤は慎重に取り扱い,薬品をこぼしたら直ぐに掃除する.はかれる範囲は天秤によって異なる.最大秤量を超過しないように注意する.メスフラスコは,はかれる容積が固定されている(例えば,・・,100 mL,200 mL,250 mL,500 mL,1000 mL,・・).メニスカスを標線に合わせるときは,オーバーしないように注意する.
4.濃度などの計算方法(図1,図2)
ホームページの画面に,以下のような計算方法の解説を載せている.ただし,4.2および4.4は飽和濃度を超過した場合の計算方法であるため,どこまで意味があるか分からないので,ホームページには載せていない.
4.1 シュウ酸水溶液
調製前のシュウ酸二水和物の質量をMa(g),これを溶解する純水(溶解水)の質量,体積と密度をMb(g),Vb(mL)とDb(g/mL)とする.調製後の水溶液の質量をM(g),体積をV(mL),密度をD(g/mL),質量百分率濃度をW(%),モル濃度をC(mol/L)とする.さらに,溶液体積/溶解水体積をR,シュウ酸二水和物のモル質量をF(g/mol),シュウ酸二水和物中の無水物の質量百分率をQo(%)とすると,次式のような関係がある[文献11,12].
W=MaQo/M, M=Ma+Mb=VD, Mb=VbDb, C=1000Ma/FV,
R=V/Vb, Qo=90.03g/mol÷126.07g/mol×100 %=71.41 %, 1 L=1000 mL
これらの式と既知の値を用いて未知の値を求めることができる.濃度から密度を求めたり,溶液体積/溶解水体積から濃度を求めるときは表2[文献13]を用いて直線的に内挿する.
4.2 飽和濃度を超過した場合の計算方法(シュウ酸)
溶解しなかった固体水和物が飽和水溶液中に沈殿していると仮定する.
飽和溶液中のシュウ酸二水和物の質量をMa2(g),溶解に使用した純水(溶解水)の質量をMb(g),飽和溶液の体積をV2(mL),密度をD2(g/mL),シュウ酸無水物としての質量百分率濃度をW2(%)とする.
沈殿しているシュウ酸二水和物の質量をMa3(g),体積をV3(mL),密度をD3(g/mL)とする.
飽和溶液の質量と固体の質量を足し合わせた見かけの質量をM(g),体積をV(mL),密度をD(g/mL),シュウ酸無水物としての質量百分率濃度をW(%),モル濃度をC(mol/L),溶液体積/溶解水体積をRとする.
表3 飽和溶液と固体に関する変数の定義
物理量(単位) | 飽和溶液 | 固体 | 飽和溶液と固体を合わせた見かけの値 |
試薬水和物の質量(g) | Ma2 | Ma3 | Ma=Ma2+Ma3 |
溶解水の質量(g) | Mb=VbDb | | |
質量の合計(g) | Ma2+Mb | | M=Ma2+Ma3+Mb |
体積(mL) | V2 | V3 | V=V2+V3 |
密度(g/mL) | D2 | D3 | D |
質量百分率濃度(%) | W2 | | W |
モル濃度(mol/L) | | | C |
溶液体積/溶解水体積 | | | R=V/Vb |
飽和溶液の質量百分率濃度W2とその質量は
W2=Ma2Qo/(Ma2+Mb), Ma2+Mb=V2D2
沈殿しているシュウ酸二水和物の質量Ma3とその体積V3と密度D3の関係は
Ma3=V3D3
使用したシュウ酸二水和物全体の質量Maは
Ma=Ma2+Ma3
飽和溶液と沈殿している固体を合わせた見かけの体積V,質量百分率濃度W,質量M,モル濃度Cは,それぞれ
V=V2+V3, W=MaQo/M, M=Ma2+Ma3+Mb=VD, C=1000Ma/FV
その他,溶液体積/溶解水体積Rは
R=V/Vb
以上の式より,飽和溶液中のシュウ酸二水和物の質量Ma2,沈殿しているシュウ酸二水和物の質量Ma3および溶解に使用した純水(溶解水)の質量Mbを求める.
Ma2=MW2(Qo−W)/{Qo(Qo−W2)}, Ma3=M(W−W2)/(Qo−W2),
Mb=M(Qo−W)/Qo
飽和溶液と固体を合わせた見かけの密度Dと見かけの質量百分率濃度Wの関係は
D=P1/(P2−W)
ここで,定数P1とP2は簡単のためにそれぞれ,次式で表される量を置き換えている.
P1=D2D3(Qo−W2)/(D3−D2), P2=(QoD3−W2D2)/(D3−D2)
また,見かけの質量百分率濃度Wと溶液体積/溶解水体積の比Rの関係は
W=P3(R−P4)/(R−P5)
ここで,定数P3,P4,P5はそれぞれ
P3=Qo, P4=P2Db/P1, P5=QoDb/P1
さらに,見かけの密度Dと見かけのモル濃度Cの関係は
D=P6+P7C
ここで,定数P6とP7はそれぞれ
P6=P1/P2, P7=QoF/(1000P2)
これらの式より,溶液の密度D,シュウ酸二水和物の質量Ma,溶解水の質量Mb,溶液体積/溶解水体積Rの質量百分率濃度Wによる変化を求めて図11に示す.曲線の変化傾向が前報の塩酸[文献3]の場合と類似している.飽和濃度W=10.4%を超えた範囲では,溶けきれなくなった固体が沈んでいるので,計算値は全て見かけの値である(画面に赤字で警告を表示).特に,濃度W=71.41%以上では溶解水の質量Mbが負の値になっており,シュウ酸二水和物を脱水しない限りこのような状態は作れないことを表している.飽和濃度W=10.4%を超えた水溶液は普通の調製方法ではありえないが,このプログラムは高校以上の化学や濃度計算を全く知らない人が使用することを考慮しているので,このような条件の数値をうっかり入力することもあろうかと考えて,計算(全て見かけの値)だけはできるようにしておいた.
4.3 シュウ酸ナトリウム水溶液
調製前のシュウ酸ナトリウムの質量をMa(g),これを溶解する水の量をMb(gまたはmL)とする.調製後の水溶液の質量をM(g),体積をV(mL),密度をD(g/mL),質量百分率濃度をW(%),モル濃度をC(mol/L)とする.さらに,溶液体積/水量をR,シュウ酸ナトリウムのモル質量をF(g/mol)とすると,次式のような関係がある.
W=100Ma/M, M=Ma+Mb=VD, C=1000Ma/FV, R=V/Mb, 1 L=1000 mL
これらの式と既知の値を用いて未知の値を求めることができる.濃度から密度を求めたり,溶液体積/水量から濃度を求めるときは表4[文献13]を用いて直線的に内挿する.
4.4 飽和濃度を超過した場合の計算方法(シュウ酸ナトリウム)
溶解しなかった固体(無水物)が飽和水溶液中に沈殿していると仮定する.
飽和溶液中のシュウ酸ナトリウムの質量をMa2(g),溶解に使用した純水の量をMb(gまたはmL),飽和溶液の体積をV2(mL),密度をD2(g/mL),質量百分率濃度をW2(%)とする.
沈殿している固体シュウ酸ナトリウムの質量をMa3(g),体積をV3(mL),密度をD3(g/mL)とする.
飽和溶液の質量と固体の質量を足し合わせた見かけの質量をM(g),体積をV(mL),密度をD(g/mL),質量百分率濃度をW(%),モル濃度をC(mol/L),溶液体積/水量をRとする.
表5 飽和溶液と固体に関する変数の定義
物理量(単位) | 飽和溶液 | 固体 | 飽和溶液と固体を合わせた見かけの値 |
試薬の質量(g) | Ma2 | Ma3 | Ma=Ma2+Ma3 |
水の量(g,mL) | Mb | | |
質量の合計(g) | Ma2+Mb | Ma3 | M=Ma2+Ma3+Mb |
体積(mL) | V2 | V3 | V=V2+V3 |
密度(g/mL) | D2 | D3 | D |
質量百分率濃度(%) | W2 | | W |
モル濃度(mol/L) | | | C |
溶液体積/水量 | | | R |
飽和溶液の質量百分率濃度W2とその質量は
W2=100Ma2/(Ma2+Mb), Ma2+Mb=V2D2
沈殿しているシュウ酸ナトリウムの質量Ma3とその体積V3と密度D3の関係は
Ma3=V3D3
使用したシュウ酸ナトリウム全体の質量Maは
Ma=Ma2+Ma3
飽和溶液と沈殿している固体を合わせた見かけの体積V,質量百分率濃度W,質量M,モル濃度Cは,それぞれ
V=V2+V3, W=100Ma/M, M=Ma2+Ma3+Mb=VD, C=1000Ma/FV
その他,溶液体積/水量Rは
R=V/Mb
以上の式より,飽和溶液中のシュウ酸ナトリウムの質量Ma2,沈殿しているシュウ酸ナトリウムの質量Ma3および溶解に使用した純水の量Mbを求める.
Ma2=MW2(100−W)/{100(100−W2)}, Ma3=M(W−W2)/(100−W2),
Mb=M(100−W)/100
飽和溶液と固体を合わせた見かけの密度Dと見かけの質量百分率濃度Wの関係は
D=P1/(P2−W)
ここで,定数P1とP2は簡単のためにそれぞれ,次式で表される量を置き換えている.
P1=D2D3(100−W2)/(D3−D2), P2=(100D3−W2D2)/(D3−D2)
また,見かけの質量百分率濃度Wと溶液体積/水量の比Rの関係は
W=P3(R−P4)/(R−P5)
ここで,定数P3,P4,P5はそれぞれ
P3=100, P4=P2/P1, P5=100/P1
さらに,見かけの密度Dと見かけのモル濃度Cの関係は
D=P6+P7C
ここで,定数P6とP7はそれぞれ
P6=1/P4, P7=F/(10P2)
これらの式より,溶液の密度D,シュウ酸ナトリウムの質量Ma,水の量Mb,溶液体積/水量Rの質量百分率濃度Wによる変化を求めて図12に示す.前報の水酸化ナトリウム水溶液[文献3]の場合と飽和濃度が違うだけで,曲線の変化傾向は同様である.飽和濃度W=3.48%を超えた範囲では,溶けきれなくなった固体が沈んでいるので,計算値は全て見かけの値である(赤字で警告を表示し,上の4.2と同様の理由で計算だけはできるようにしておいた).
5.使用したソフトウェア
開発に使用したOSはMicrosoft社のWindows XP Professionalである.さらに,Microsoft社のWindows 98,2000 Professional,ME,XP home edition,Vista Home Premiumで動作確認を行っている.Java Appletは多くの書籍[文献14〜19]を参考にして,Borland社のJBuilder 6 Professional,2005 Developerで作成し,フリーソフトウェアFFFTP 1.88[文献20]でサーバーにアップロードした.HTMLファイルはIBM社のホームページ・ビルダー 11[文献21,22],またはマクロメディア(株)のDreamweaver MX[文献23]で編集・作成した.その他,ファイルの構成やプログラムの開発方法については,前報[文献4]とほぼ同じなので省略する.
6.おわりに
教育学部のサーバーだけでなく,学外のサーバーにも濃度計算と調製方法のプログラムを載せてサービスを開始した[文献1].学校の授業の準備や自由研究等でも利用できると思われる.今後はさらに,計算できる(水)溶液の種類を増やし,少しずつサービスを充実していく.
参考文献など(URLは全て2008年6月5日時点のものです)
[文献1] トップページアドレス 本館 http://www.saitama-u.ac.jp/ashida/
縮小版1 http://www1.edu.saitama-u.ac.jp/users/ashida/
別館1 http://www.geocities.jp/ashidabk1/ (閲覧のみ)
別館2 http://ashidabk2.hp.infoseek.co.jp/
別館3 http://www7.tok2.com/home/ashidabk3/
[文献2] 芦田実ほか『溶液の濃度計算と調製方法のインターネットによる自動サービス −塩化ナトリウム水溶液−』化学教育ジャーナル(CEJ),第7巻第1号(通巻12号),採録番号7-5(2003)
[文献3] 芦田実ほか『溶液の濃度計算と調製方法のインターネットによる自動サービス −酢酸水溶液,塩酸,アンモニア水,水酸化ナトリウム水溶液−』化学教育ジャーナル(CEJ),第8巻第1号(通巻14号),採録番号8-3(2004)
[文献4] Minoru Ashida, et al., Automatic Services of Calculating Data and for the Preparation of Solutions by Using Internet: - Nitric Acid Aqueous Solution and Sulfuric Acid Aqueous Solution-, The Chemical Education Journal (CEJ), Vol. 9, No. 2 (Serial No. 17). The date of issue: January 30, 2007./Registration No. 9-14/Received March 7, 2006.
[文献5] 芦田実ほか『溶液の濃度計算と調製方法のインターネットによる自動サービス −固体無水物の溶解度−』化学教育ジャーナル(CEJ),第10巻第1号(通巻18号),採録番号10-2(2007)
[文献6] 芦田実ほか『溶液の濃度計算と調製方法のインターネットによる自動サービス − 二酸化炭素と石灰水 −』化学教育ジャーナル(CEJ),第10巻第1号(通巻18号),採録番号10-3(2007)
[文献7] 芦田実ほか『定量分析シミュレーションのインターネットによる自動サービス −酸・塩基滴定−』化学教育ジャーナル(CEJ),第10巻第1号(通巻18号),採録番号10-4(2007)
[文献8] http://www.saitama-u.ac.jp/ashida/cgi-bin/calgramc.cgi
[文献9] http://www.saitama-u.ac.jp/ashida/calcgrap/apadj010.html
[文献10] http://www.saitama-u.ac.jp/ashida/calcgrap/apadj011.html
[文献11] 中川徹夫『2成分系溶液の濃度の相互変換公式』理科の教育,通巻599号,51(6),406(2002)
[文献12] 中川徹夫『水溶液の調製に有用な式』理科の教育,通巻603号,51(10),696(2002)
[文献13] 日本化学会編『化学便覧基礎編改訂4版』丸善(株)(1993)
[文献14] 高橋和也ほか『Java逆引き大全500の極意』(株)秀和システム(2002)
[文献15] 田中秀治『Jbuilder5で入門!Javaプログラミング』ソーテック社(2001)
[文献16] 松浦健一郎,司ゆき『はじめてのJBuilder6』ソフトバンク(株)(2002)
[文献17] 赤間世紀『Java2による数値計算』技報堂出版(株)(1999)
[文献18] 青野雅樹『Javaで学ぶコンピュータグラフィックス』(株)オーム社(2002)
[文献19] 中山茂『Java2グラフィックスプログラミング入門』技報堂出版(株)(2000)
[文献20] http://www2.biglobe.ne.jp/~sota/
[文献21] 『ホームページ・ビルダー2001ユーザーズ・ガイド』日本アイ・ビー・エム(株)(2006)
[文献22] アンク『HTMLタグ辞典』翔泳社(2000)
[文献23] 『Dreamweaver MXファーストステップガイド』マクロメディア(株)(2002) 元の本文位置に戻る
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