金属イオンの硫化物沈殿が酸性条件と中性・塩基性条件で変化することやそれを利用して金属イオンを分離することは無機化学で詳しく学習する。

sulfide-deposition

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\ce{H2S}の第1段階と第2段階の電離定数をそれぞれ$K_1=1.0\times10^{-7}$\,mol/L, \\[.2zh] \hspace{.5zw}$K_2=1.0\times10^{-14}$\,mol/Lとする. \\[1zh] \hspace{.5zw} (1)\ \ 0.10\,mol/Lの\ce{H2S}水溶液のpHを求めよ. \\[1zh] \hspace{.5zw} (2)\ \ 0.10\,mol/Lの\ce{H2S}水溶液を$\text{pH}=2$\ および$\text{pH}=8$\ にしたときの[\ce{S^2-}]を求 \\[.2zh] \hspace{.5zw}\phantom{ (1)}\ \ めよ. \\[1zh] \hspace{.5zw} (3)\ \ \ce{Cu^2+},\ \ce{Zn^2+},\ \ce{Fe^2+}\,がそれぞれ0.10\,mol/Lずつ含まれる水溶液に,\ pHを一定 \\[.2zh] \hspace{.5zw}\phantom{ (1)}\ \ に保ったまま\ce{H2S}を十分に通じる.\ $\text{pH}=2$に保った場合と$\text{pH}=8$に保った \\[.2zh] \hspace{.5zw}\phantom{ (1)}\ \ 場合に生じる沈殿の化学式を答えよ.\ ただし,\ pHによらず\ce{H2S}の水に対する \\[.2zh] \hspace{.5zw}\phantom{ (1)}\ \ 溶解度は0.10\,mol/Lとし,\ \ce{CuS},\ \ce{ZnS},\ \ce{FeS}の溶解度積をそれぞれ \\[.2zh]  (1)\ \ \ce{H2S}のモル濃度を$c$\,[mol/L],\ 第1段階の電離度を$\alpha$\,とする. \\[.5zh] \bm{K_1\gg K_2\ より,\ 第2段階の電離を無視できる}ことがポイントである. \\[.2zh] 第1段階の電離のみ考えればよく,\ 結局弱酸\ce{CH3COOH}の電離平衡と同様にして\text{pH}が求められる. [\ce{S^2-}]は,\ 第1段階と第2段階の電離を合体させた\ce{H2S H+ + S^2-}\ を考えて求める. \\[.2zh] 各電離に化学平衡の法則を適用すると,\ \bm{K=K_1K_2}\ という関係式を導くことができる. \\[.2zh] ここからKの値を求め,\ さらに[\ce{S^2-}]=の形にしてから数値を代入すればよい. \\[.2zh] このとき,\ \bm{\ce{H2S}の電離はわずかなので[\ce{H2S}]\kinzi0.10}\,\text{\textbf{mol/L}}\,\bm{とみなせる}のがポイントである. \\[.2zh] \text{pH}=2のとき[\ce{H+}]=1.0\times10^{-2}\,\text{mol/L},\ \text{pH}=8のとき[\ce{H+}]=1.0\times10^{-8}\,\text{mol/L}\ である. CuS}のみ沈殿する.}$} \\\\ CuS},\ \ce{ZnS},\ \ce{FeS}がすべて沈殿する.}$} \ce{H2S}は十分に通じることで飽和状態になっている.\ つまり,\ 濃度は溶解度と同じく0.10\,\text{mol/L}である. \\[.2zh] このときの[\ce{S^2-}]は(2)で求まっている.\ また,\ 金属イオンの濃度はすべて0.10\,\text{mol/L}である. \\[.2zh] この\bm{濃度の積が溶解度積よりも大きい場合に沈殿が生じ,\ 小さい場合は沈殿しない.} \\[1zh] \ce{H2S <=> 2H+ + S^2-}\ を考える. \\[.2zh] \text{pH}を小さく([\ce{H+}]を大きく)すると,\ 平衡が左に移動して[\ce{S^2-}]が小さくなる. \\[.2zh] \text{pH}を大きく([\ce{H+}]を小さく)すると,\ 平衡が右に移動して[\ce{S^2-}]が大きくなる. \\[.2zh] よって,\ \textbf{\text{pH}が大きい(塩基性に近い)ほど濃度の積が大きくなり,\ 多くの金属イオンが沈殿する.} \\[.2zh] 逆に,\ \text{pH}を小さく(酸性に)したときに一部のみが沈殿することを利用して金属イオンを分離できる.