二塩基酸の中和滴定曲線の解析と酸解離定数の測定 : pHメーターを用いた無機分析実験の教材化

背景と目的：

本研究は、二塩基酸の中和滴定曲線を解析し、酸解離定数（pKa1, pKa2）を決定することを目的としています。酸・塩基およびpHの基本概念は小中学校で教えられ、高校ではさらに詳細な内容が扱われます。しかし、学生がこれらの概念を深く理解するためには、具体的な実験を通じて学ぶことが重要です。先行研究では一塩基酸を対象としていましたが、本研究ではデータ解析理論のより深い理解やデータ処理技術の向上を目的に、二塩基酸に焦点を当てています。

主要な発見：

本研究では、各種の二塩基酸の中和滴定曲線を作成し、それぞれの酸解離定数pKa1, pKa2を正確に決定しました。得られた数値は、市販のpHメーターを使用しても文献値とよく一致することが確認されました。また、各二塩基酸の滴定曲線の形状やpHの高さの違いが視覚的に確認でき、これが異なる二塩基酸の特徴を明確に示すものであると結論づけられました。

方法論：

本研究では、市販の試薬を用いて0.1mol dm-3の二塩基酸試料溶液を調製し、LiOH溶液を用いて滴定を行いました。pHメーターを用いて滴定前と所定量を滴下した後のpHを測定し、これを3回繰り返しました。酸解離定数は、pHとlog([HA]/[H2A]), log([A]/[HA])をプロットし、線形回帰直線の切片から求めました。Excelを使ったデータ解析を行い、各酸解離定数を算出しました。

結論と意義：

酸解離定数pKa1, pKa2の値は、pHメーターの精度範囲内で文献値と一致し、二塩基酸の違いを中和滴定曲線の形状やpH高さで視覚的に捉えることができました。このことから、本研究は学生に酸・塩基の概念をより深く理解させる有効な教材となることを示しました。また、実験操作は基礎的なレベルであり、データ処理も簡単に行えるため、化学専攻学生の無機分析実験の技術向上に適しています。

今後の展望：

本研究の成果を基に、次年度以降の学部3年次の学生実験にこの手法を導入する計画があります。これにより、学生はより実践的なデータ処理技術と深い理論理解を身につけることが期待されます。また、さらなる研究として、異なる濃度条件や他の酸・塩基系に対する適用も検討されるでしょう。これにより、化学教育の一層の充実と実験技術の向上が期待されます。

何のために？：

この研究の目的(もくてき)は、二種類(しゅるい)の酸(さん)について調べることです。酸(さん)がどう反応(はんのう)するかを見て、特別(とくべつ)な数字（pKa(酸(さん)の強さを示(しめ)す特別(とくべつ)な数字で、酸(さん)がどれだけ簡単(かんたん)に水素(すいそ)イオンを放出できるかを表します。pKaの値(あたい)が低(ひく)いほど、酸(さん)は強いです。)）を決めます。酸(さん)と塩基(えんき)、pHは学校で学びますが、実験(じっけん)をするともっとよくわかります。これまでの研究は一種類(しゅるい)の酸(さん)だけを見ていましたが、今回はもっと難(むずか)しい二種類(しゅるい)の酸(さん)を調べます。

何が分かったの？：

この研究では、二種類(しゅるい)の酸(さん)の反応(はんのう)のグラフを作りました。そして、それぞれの特別(とくべつ)な数字（pKa(酸(さん)の強さを示(しめ)す特別(とくべつ)な数字で、酸(さん)がどれだけ簡単(かんたん)に水素(すいそ)イオンを放出できるかを表します。pKaの値(あたい)が低(ひく)いほど、酸(さん)は強いです。)）を正確(せいかく)に決めました。市販(しはん)のpHメーター(液体(えきたい)の酸性度(さんせいど)（pH）を測定(そくてい)する道具です。7が中性(ちゅうせい)、7未満(みまん)が酸性(さんせい)、7以上(いじょう)がアルカリ(あるかり)性(せい)を示(しめ)します。)でも、本に載(の)っている数字と一緒(いっしょ)だとわかりました。また、二種類(しゅるい)の酸(さん)それぞれで、反応(はんのう)のグラフが違(ちが)うことが見てわかりました。

どうやったの？：

研究では、市販(しはん)の薬を使って酸(さん)の水を作りました。そして、LiOH(リチウム水酸化(すいさんか)物(もの)という薬品で、強い塩基(えんき)です。酸(さん)と反応(はんのう)して中和反応(はんのう)を行います。)という薬を加(くわ)えました。pHメーター(液体(えきたい)の酸性度(さんせいど)（pH）を測定(そくてい)する道具です。7が中性(ちゅうせい)、7未満(みまん)が酸性(さんせい)、7以上(いじょう)がアルカリ(あるかり)性(せい)を示(しめ)します。)で、薬を加(くわ)える前と後のpHを測(はか)りました。これを3回繰(く)り返(かえ)しました。特別(とくべつ)な数字（pKa(酸(さん)の強さを示(しめ)す特別(とくべつ)な数字で、酸(さん)がどれだけ簡単(かんたん)に水素(すいそ)イオンを放出できるかを表します。pKaの値(あたい)が低(ひく)いほど、酸(さん)は強いです。)）は、グラフを作って計算しました。データの計算はExcel(Microsoft社が提供(ていきょう)する表計算ソフトで、データの整理、計算、グラフ作成(さくせい)などに使われます。)というソフトを使いました。

研究のまとめ：

特別(とくべつ)な数字（pKa(酸(さん)の強さを示(しめ)す特別(とくべつ)な数字で、酸(さん)がどれだけ簡単(かんたん)に水素(すいそ)イオンを放出できるかを表します。pKaの値(あたい)が低(ひく)いほど、酸(さん)は強いです。)）は、本の数字と同じでした。そのため、二種類(しゅるい)の酸(さん)の違(ちが)いがグラフとpHの高さで見てわかりました。この研究は、学生が酸(さん)と塩基(えんき)をよく理解(りかい)するのに役立ちます。実験(じっけん)は簡単(かんたん)で、化学を専攻(せんこう)する学生の技術(ぎじゅつ)向上に適(てき)しています。

これからどうする？：

この研究の成果(せいか)をもとに、次の年の学生実験(じっけん)にこの方法(ほうほう)を使います。これにより、学生は実践的(じっせんてき)なデータ処理(しょり)技術(ぎじゅつ)を身につけます。また、違(ちが)う濃度(のうど)や他の酸(さん)・塩基(えんき)系(けい)についても調べます。これにより、化学教育と実験(じっけん)技術(ぎじゅつ)がさらに良(よ)くなります。