リトマス紙上、予想外のイオンの動き 酸とアルカリ

質問

子どもの理科の自由研究（私学小５）で、酸性とアルカリ性の物質のもつ、イオンの動きを確認する実験をやってみました。機材として使用したのは９Vのマンガン電池3個、リトマス紙です。電流を流れやすくするため、食塩水を利用しました。教科書でよく出てくるのは、酸性の物質として「塩酸」、アルカリ性の物質として「水酸化ナトリウム」ですが、家庭で塩酸が準備できないこともあって、ほかの酸性の物質で試すことにしました。酸性の材料として、レモン、りんご、オレンジ、ぶどう、酢、を用意。アルカリ性の材料としては、重曹（炭酸水素ナトリウム）、ベーキングソーダ、太田胃散、洗濯用粉洗剤「ビーズ」、石鹸、を用意しました。

酸性の物質は水素イオン（O+）を出すことから、青いリトマス紙の赤く変色した部分は、陰極にひっぱられていくと思っていました。ところが、比較的強い酸性度をもつレモンで反対の方向（陽極）にひっぱられていきました。りんごでやってみてもしかり。何度か実験をやり直しましたが、同じ結果に。ところが、レモンに関してはレモンの種類を変えたところ（よく店でみかけるものにした）、イオンは陰極にひっぱられていきました。最初にテストしたレモンは「マイヤーレモン」というもので、そもそもオレンジとのかけ合わせでできたものとあとで調べてわかりました。しかし、pHは普通のレモンと同じように２くらいもあって、しっかり酸性ではありました。ちなみに、お酢ではイオンは陰極へひっぱられていくのが確認できました。オレンジやぶどうは動きが確認できませんでした。
【疑問1】　なぜ、リトマス紙に反応した酸性イオンは陽極に流れていったのでしょう？

また、アルカリ性の物質の洗濯粉洗剤の「ビーズ」は（OH⁻）を出すはずなので陽極に流れていくと思いきや、これは逆に陰極に流れていきました。ほかのアルカリ性の物質はわずかながらもイオンの陽極への移動が確認できました。

実験の結果、新たに出てきた疑問は、pHが強いからといって、リトマス紙上でイオンのひっぱられる量（出る量）が多いというわけではないことが判明。
【疑問2】pHの強さによらないイオンの量の動きはどうして生じるのでしょうか？

化学を勉強しはじめたばかりの息子と、30年ぶりに化学を紐といている母親です。
どうぞよろしくお願いします。

回答No.2

teppou

基本的なところで、お考え違いがあるようです。
　酸性物質であれアルカリ性物質であれ、その物質全体では電気のプラスとマイナスの量は等しいのです。
　等しくなければ静電気が起きた時のように、紙切れなどが引かれるはずです。因みに静電気が起きた状態はプラスとマイナスの電気の量が等しくなくなっている状態です。
　リトマス試験紙が赤くなるのは、溶液中に水素イオンH(+)が表れているからで、マイナスイオンも同時にできています。
　（水素イオンはH(+)です。）
　酸性、アルカリ性という事は、水素イオンH(+)と水酸基OH(-)の量がどの程度あるかという事で、プラスやマイナスの電気が増えたり減ったりしているわけではありません。
　酸性の溶液を浸み込ませたリトマス紙は、電気的には中性です。
　以上を踏まえて実験結果を考察してみますと、要するに何かの原因で紙がそったと言う事ではないでしょうか。
　リトマス紙を使うこのような実験について、何か参考にしたものがあるのでしょうか。
　ネットを検索しましたら、下記のサイトが見つかりました。
　https://www.esnet.ed.jp/center/shiryo/uploads/ion.pdf
　他にもあるようです。「イオン移動　可視化」などで検索してみてください。
　なお、No.1のかたのおっしゃることは、まったくの正論で、実験は初めは簡素、単純な材料や装置を用いて、考察するべき要素を最小限度にして、結果の方向性が見えてから、次第に複雑にしていかないとわけのわからないことになってしまいます。

補足

そうなのです。質問欄に、水素イオンはH(+)なのに、O(+)と間違えて記してしまいました。

なるほど、
＞酸性物質であれアルカリ性物質であれ、その物質全体では電気のプラスとマイナスの量は等しいのです。
また、
＞酸性の溶液を浸み込ませたリトマス紙は、電気的には中性です。
とおっしゃられていることの意味がよくわかりました。

No.1の方がおっしゃられていたように、「使っている試料が複雑な混合物」であるゆえに、実験結果がバラバラなのが理論的にはわかってきました。息子は、「じゃあ何が反対方向へ引っ張っているんだ」「どう調べるんだ…」と行き詰まっています…。（もっと化学勉強しないと先へ進めませんね…。）

ただ、教科書や参考書にはなぜ、塩酸や炭酸水素ナトリウムを選んで実験しているのか、書いてありません。
どこをみても、この物質で実験していて、なぜ、これらしか使用しないのか、が親子でとても疑問でした。シンプルで扱いやすい物質なのですね。

いろいろネットも調べました。ただ、ご紹介いただいた、サイト、よいですね。
「陽極付近の青のリトマス紙の色が赤く変化する場合」のことも書かれています。我が家も答えが出せずにいました。ありがとうございます。

明日が子供のレポートの提出日なので、このハチャメチャ実験の結果をどうまとめたものか、悩みます。うまく思い違いの部分を表現できるよう、親子でやってみたいと思います。

回答No.1

c80s3xxx

回答が付かないようなので．
ぶっちゃけたことをいうと，現在の情報からはまともな議論は困難です．
理由は，使っている試料が複雑な混合物であって，何が入っているかも厳密にはわからないからです．
レモンは単なる酸ではなく，さまざまな有機物を含んでいて，それらが複雑に絡み合ってpHが決まってきます．pHを下げる主成分はクエン酸あたりでしょうけど，電気泳動で動く成分は他にもいろいろあって，局所的な組成が変化すればpHが変化することはありえるでしょう．
洗剤のニュービーズは漂白剤成分が含まれていて，これは色素を脱色する効果もあります．
そういう面倒なことをあまり考えなくてよさそうなのは，お酢(ほぼ酢酸のみを考えればよい)と，重曹(ほぼ炭酸水素ナトリウムとみてよい)くらいでしょうか．
いろいろと身近なものを試すのはよいことではありますが，その結果を単純に議論するためには，できるだけ単純なもの，理想的には試薬レベルの単一成分のものから始めないと，何を調べているのかわからなくなります．
もちろん，試薬を一般家庭で手に入れるのは困難と言うことはわかっていますが．

補足

回答がまったくつかないところ、ご回答いただき、誠にありがとうございます。とてもうれしく思いました。

結果的に、根本的な間違いをしていたために、意味のない実験をしていたことに気づきました。
世の中の多くの物質は複雑に絡み合っているのはわかってはいたものの…、もう少しシンプルなのかと思っていました。レモンの種類によって、こんなに結果がずれてくるとは思いませんでした。

なんだか腹立たしいのは、どの教科書や参考書をみても、イオンの動きをみる実験として、塩酸や炭酸水素ナトリウムしか出ていないことです。なぜ、この二つの物質を選んだのかの説明が、どこにもない！

息子は、「じゃあ何が反対方向へ引っ張っているんだ」「何がブロックしてるんだ」「どう調べるんだ？？」と行き詰まっています…。もう少し化学の勉強をしないと、ダメですね。(;^_^A

いやいや、とんでもない実験でした。丸一日かかりました。電池のにおいまみれでした。
ほんとにありがとうございました。