溶解度 — ルール・曲線・影響因子

溶解度とは、一定の条件のもとで、溶質が溶媒に溶けたままでいられる最大量のことです。化学の問題では、通常は溶媒と温度、気体の場合は圧力も知る必要があります。

手早く言うと、溶解度は溶ける速さと同じではありません。系が落ち着いたあとに、どれだけ溶けたままでいられるかという平衡での限界です。

化学での溶解度の意味

少量の溶質を溶媒に加えると、完全に溶けることがあります。さらに加えていくと、やがて溶ける過程と固体が再びできる過程がつり合う点に達します。そのとき、溶液は飽和しています。

だからこそ、溶解度は平衡の考え方です。ある表に、ある温度で塩の溶解度が水 $100\ \mathrm{g}$ あたり $36\ \mathrm{g}$ と書かれていれば、その条件では平衡でおよそその量まで溶けたままでいられる、という意味です。

関連する3つの用語を押さえておくと便利です。

• 不飽和溶液は、まださらに溶質を溶かせます。
• 飽和溶液は、その条件での平衡限界に達しています。
• 過飽和溶液は、通常の平衡量より多くの溶質を溶かしており、一般に不安定です。

溶解度のルールで実際に予測できること

初学者向けの化学でいう溶解度のルールとは、たいてい水中のイオン化合物についての簡便な経験則です。ある化合物が一般に溶けやすいか、沈殿が生じそうかを予測するのに役立ちます。

安全な使い方は、万能の法則としてではなく、最初の見当をつける道具として使うことです。たとえば硝酸塩は一般に水に可溶なので、$\mathrm{NaNO_3}$ は容易に溶けると考えられます。これに対して、$\mathrm{AgCl}$ のようなイオン化合物は難溶性であるため、初歩的な問題では沈殿として扱われることがよくあります。

「似たものは似たものを溶かす」は、溶媒選びに関する別の経験則です。極性物質やイオン性物質は水のような極性溶媒に溶けやすいことが多く、多くの無極性物質は無極性溶媒によりよく溶けます。

溶解度曲線の読み方

溶解度曲線は、物質の溶解度が温度によってどう変化するかを示します。縦軸は通常、一定量の溶媒に溶ける溶質の量で、横軸は温度です。

点が曲線上にあれば、その温度で溶液は飽和しています。曲線より下にあれば不飽和です。曲線より上にあれば、その量はその条件での通常の飽和限界を超えています。

曲線の形を一般化しすぎないようにしましょう。多くの固体溶質は温度が上がると溶解度が増しますが、すべてがそうとは限りません。気体の溶解度は、水中ではしばしば逆の温度依存性を示します。

例題：溶解度曲線の値を使う

ある溶解度曲線が、ある塩は $25^\circ\mathrm{C}$ で水 $100\ \mathrm{g}$ あたり最大 $36\ \mathrm{g}$ 溶けると示しているとします。

ここで、その塩 $40\ \mathrm{g}$ を水 $100\ \mathrm{g}$ に加え、同じ温度で平衡になるまで待ちます。

その条件では、約 $36\ \mathrm{g}$ が溶けたままでいられます。残りの $4\ \mathrm{g}$ は溶け残ります。

この1つの例で、溶解度曲線を読む基本がわかります。

• 指定された温度での最大溶解量を読む
• それを実際に加えた量と比べる
• 余分な溶質は、平衡では未溶解として扱う

溶解度とは、ある条件での容量の上限であって、加えたものがすべて消えるという意味ではありません。

溶解度を変える因子

温度

水に溶ける多くの固体溶質では、温度が上がると溶解度も増加します。これはよくある傾向ですが、例外もあります。

液体に溶けた気体では、温度が上がると溶解度が低下することがよくあります。温かい炭酸飲料から二酸化炭素が抜けやすいのは身近な例です。

圧力

圧力の影響が最もはっきり現れるのは、液体に溶けた気体です。液体の上の圧力が高いほど、通常は気体の溶解度は増加します。固体や液体では、通常の圧力変化の影響はずっと小さいのが一般的です。

溶質と溶媒の性質

分子間力が重要です。溶質と溶媒の新しい相互作用が、溶質同士・溶媒同士の相互作用に十分対抗できるとき、その溶質はより溶けやすくなります。

これが「似たものは似たものを溶かす」を、より正確に言い換えたものです。

化学的環境

溶解度の変化の中には、溶液中の反応に依存するものもあります。たとえば、ある種のイオン化合物の溶解度は、pH が変わったり、共通イオンが加わったりすると変化することがあります。

ただし、これは物質ごとの性質に依存します。すべての溶解度の問題で pH や共通イオンを考える必要があるとは限りません。

よくある溶解度の間違い

溶解度と溶解速度を混同する

かき混ぜる、砕く、加熱する、といった操作で物質はより速く溶けることがあります。しかし、速く溶けることと、同じ条件で最終的な溶解度が大きいことは同じではありません。

温度や圧力を忘れる

温度が示されていない溶解度の値は不完全です。場合によっては、圧力が示されていない場合も不完全です。

すべての固体は加熱すると溶けやすくなると思い込む

多くの固体は温かい水で溶けやすくなりますが、そうでないものもあります。思い込みのルールより、曲線やデータ表を見るほうが確実です。

間違った系に圧力のルールを使う

圧力が特に重要なのは、液体中の気体です。通常の固体溶質の溶解度では、圧力はたいてい主な因子ではありません。

溶解度が使われる場面

溶解度は、医薬品、水処理、地質学、環境化学、食品科学、実験での溶液調製などで重要です。沈殿の予測、溶媒の選択、混合物が均一のままか分離するかの判断に役立ちます。

日常でも関係があります。たとえば、砂糖が温かい飲み物と冷たい飲み物で溶け方が違う理由、炭酸飲料が開封後に気が抜ける理由、条件が変わると混合物が白く濁る理由などです。

似た溶解度の問題に挑戦してみよう

溶解度の問題に出会ったら、順に4つ確認しましょう。溶質は何か、溶媒は何か、温度はいくつに固定されているか、そして圧力が関係するかどうかです。この短いチェックリストだけで、計算前の多くのミスを防げます。

自分でも溶解度曲線を使って試してみましょう。1つ温度を選び、その温度での最大溶解量を読み取り、試料が不飽和か、飽和か、それとも通常の限界を超えているかを判断してみてください。