2024年4月14日日曜日

環境計量士とイオン電極法(3)|イオン活量


イオン電極法は、環境計量士試験で何度も出題される重要なテーマ。
試験で押さえておくべきポイントに絞って分かりやすく解説していくから。
ついでに、問題演習にもチャレンジしなさい!

試験で押さえておくべきポイントは次の5つ。

🌿 ポイント
  • イオン電極法とは?-測定装置の構成-
  • イオン電極法の測定原理(ネルンスト式)
  • イオンの活量 ◀これを解説!
  • 応答こう配
  • イオン電極の種類
活量って何?
濃度と何が違うの?

難しく考えないで。
活量は、イオンが溶液中で「実際にどのくらい自由に働けるか」を表す、有効濃度のようなものよ。

例えば、満員電車を想像してみて。
車内にたくさん人がいると、自由に動き回れないでしょ?それと同じで、濃い溶液の中ではイオン同士が引き合ったり反発し合ったりして(静電相互作用)、思うように動けなくなってしまうの。 その結果、見かけの濃度よりも、実際に働いているイオンの量は少なくなるってわけ。

反対に、十分に薄い溶液ではイオン同士が離れているから、お互いの影響をほとんど受けないの。だから、全イオン濃度が 10-3mol/L 程度以下の非常に希薄な溶液では、活量と濃度はほぼ同じと考えていいわ。

イオンの活量 (a) とモル濃度 (C) の関係は、活量係数 (γ) を使って次のように表されるの。 $$a =\gamma\,C$$

ここで注目してほしいのは、濃い溶液では活量係数 γ が 1 より小さくなるということ。

つまり、

  • 希薄な溶液:γ ≒ 1(活量 ≒ 濃度)
  • 濃厚な溶液:γ < 1(活量 < 濃度)

という関係になるの。

活量係数 γ はどうやって決まるの?

活量係数(γ)は溶液の「イオン強度(I)」によって決まる。

「じゃあ、イオン強度って何?」という話になるけど、ここで詳しく説明し始めると、それだけで1本の記事になっちゃうから今回は省略。その代わり、イメージだけを伝えるから。

さっきの満員電車のたとえを思い出してみて。

イオン強度とは、「電車がどれくらい混雑しているか」を表す指標だと思えばOK。
つまり、電車が空いていればイオンは自由に動けるし、満員電車になるほど周りのイオンに邪魔されて、本来の力を発揮しにくくなるの。
その「混雑具合」を数値で表したものが、イオン強度ってわけ。

イメージつかめた?
次は過去問にチャレンジよ。
⭐ 過去問演習(第65回, 問題文を一部編集・再構成)

問1 イオン電極による濃度測定について述べた次の記述のうち、誤っているものを1つ選びなさい。

  1. イオン電極は、測定対象となるイオンの活量に応じた膜電位を発生させる。
  2. 電極の応答電位と試料溶液中の測定対象イオンの活量との間には、ネルンスト式で表される関係が成立する。
  3. 溶液中の全イオン濃度が10-3mol/L 以下であれば、活量は濃度とほぼ同じ値として扱うことができる。
  4. 活量係数は、使用する電極の種類や構造によって変化する。
  5. イオン電極で測定可能なpHの範囲は、対象イオン濃度が低くなるほど、一般に狭くなる。
解説

選択肢1と2は、「環境計量士とイオン電極法(2)|イオン電極法の測定原理」で説明した内容よ。
ちゃんと読んでくれていれば、「あっ、この話ね!」って気付くはずだから、この2つに誤りはなし。

次は選択肢3
これは上で説明した内容。低濃度の溶液では、活量は濃度とほぼ等しくなるから、この記述も正しい。

さて、問題は選択肢4
「活量係数 γ」は、イオンの混雑具合(イオン強度)によって決まる値だったこと、覚えてる?満員電車の例で説明したでしょ?
電車がどれくらい混雑しているかは、乗客の数や周りの状況で決まるの。
それと同じで、活量係数も溶液中のイオンの混雑具合によって変化するの。電極の種類や構造で変わるものじゃない。
だから、ここの記述が誤りというわけ。

【解答】4


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