水溶液の色合いと濃度の関係 - 岡山県立岡山城東高等学校

水溶液の色合いと濃度の関係
岡山城東高等学校
◎那須
直美
神谷
亜美
要
理科ゼミ化学班
竹田
恭子
中屋
亜希子
旨
着色した溶液では，色の濃さと濃度に関係があることは直観的にわかる。本研究では，具体的にどの
ような関係があるのか実験によって検証した。まず，適切な濃度のインジゴカーミン水溶液について，
比色計を用いて濃度と透過率および吸光度の関係を調べた。その結果，濃度と吸光度には正比例の関係
があった。続いて，濃度一定のＢＴＢ溶液について，ｐＨに伴う色合いの変化と吸光度の関係を調べた。
その結果，色合いに応じて吸光度は変化した。そして，ｐＨ 7.0 の溶液では，ＢＴＢ分子の青色構造と
黄色構造が 27：73 の割合で混合して緑色に見えると結論づけることができた。
１．序論
着色した溶液では，濃度が大きいほど色が濃いと
推定される。それでは，濃度が２倍３倍，あるいは
溶液に光が透過するとき，もとの光の強さを I0，
試料を透過した光の強さを I とする。
半分になったときには，単に色が濃くなったり薄く
なったりするだけではなく，何か規則性があるのだ
ろうか。また，指示薬のように，同じ濃度でもｐＨ
によって色合いが変化する溶液もある。この場合に
も，何か規則性はあるのだろうか。これらの疑問に
I0
ついて，実験により検証することを目的とした。
２．研究内容
I
このとき，透過率は，透過率＝(I /I0 )×100 で定
まず，溶液の色の濃さを，透過する光の強さに置
義される数値(％)となる。これは，透過した光の強
き換えて，
定量的に測定する装置について調査した。
さに比例する。吸光度は，吸光度=－log10(I /I0 ）
すると，光電比色計や吸光光度計という装置がある
で定義される数値となる。透過率が 100％のときに
ことが判明した。今回の研究では，下の図０に示す
は，吸光度は０である。透過率が 10％に減ると吸光
光電比色計ユニット(島津理化；比色計センサ PS－
度は１となり，透過率が１％に減ると吸光度は２と
2121＋USB リンク PS－2100)をパソコンに接続して
なる。図０の装置では，青色光(468nm)，緑色光
実験を行った。
(565nm)，橙色光(610nm)，赤色光(660nm)の４種類の
波長について透過率と吸光度が測定できる。
実験 1
＜薬品・器具＞
青色色素(インジゴカーミン)水溶液(32ppm)100mL，
精製水，ビーカー(50mL)，メスシリンダー(100mL)，
図０光電比色計ユニットとセル
ディスポセル，駒込ピペット(2mL)，光電比色計
＜実験操作＞
波長(nm)
(1) 青色色素(インジゴカーミン)の水溶液 50mL をメ
青色光
緑色光
橙色光
赤色光
468
565
610
660
32
0.000
0.832
1.260
0.402
16
0.000
0.428
0.662
0.227
8.0
0.000
0.220
0.338
0.119
4.0
0.000
0.115
0.184
0.066
2.0
0.000
0.055
0.089
0.029
1.0
0.000
0.031
0.050
0.017
0.50
0.000
0.017
0.039
0.012
濃度(ppm)
スシリンダーに入れる。
(2) (1)の溶液に精製水を加えて 100mL にし，よくか
き混ぜる。
(3) (2)の溶液 50mL をビーカーにうつす。
（２倍に希釈された溶液となる。
）
(4) (1)～(3) の操作を繰り返し，７種類の濃度の溶液
をつくる。
(5) ７種類の濃度の溶液を濃度の薄い方から順に，
表２濃度(ppm)と吸光度の測定値
駒込ピペットでセルに入れる。
(6) 比色計を用いて透過率と吸光度を測定する。
測定波長は，青色光(468nm)，緑色光(565nm）
，
吸光度
橙色光(610nm），赤色光(660nm)とする。
＜実験結果＞
青色光
緑色光
橙色光
赤色光
468
565
610
660
32
100
14.7
5.5
39.6
16
100
57.3
21.8
59.3
8.0
100
60.3
45.9
76.1
4.0
100
76.7
65.5
85.8
図２濃度(ppm)と吸光度の関係
2.0
100
88.1
81.5
93.5
青色光では，吸光度は全て０であった。また，他
1.0
100
93.0
89.2
93.3
色光では濃度が薄くなるにつれて吸光度は減少した。
0.50
100
96.2
91.4
97.3
波長(nm)
濃度(ppm)
表１濃度(ppm)と透過率(％)の測定値
濃度(ppm)
＜考察及び結論＞
青色色素(インジゴカーミン)の水溶液で，32ppm
以下の濃度では，青色光の透過率は常に 100％であ
り，
溶液が青色に見えていることとの関連が伺える。
透過率
濃度を変えたときの透過率の変化は，橙色光が最も
顕著で，緑色光，赤色光の順に小さくなる。このこ
とは，実験２で詳しく調べる。
(%)
図１のグラフは，青色光を除いてなめらかな曲線
となった。しかし，濃度と透過率には反比例の関係
濃度(ppm)
は無かった。図２のグラフは，原点を通る直線とな
った。したがって，溶液の濃度と吸光度には，正比
図１濃度(ppm)と透過率(％)の関係
例の関係があることがわかった。このグラフを利用
青色光では，透過率は濃度に関係なく全て 100％
すれば，濃度不明のインジゴカーミン水溶液の吸光
であった。また，他色光では濃度が薄くなるにつれ
度を測定することによって，濃度を推測できるので
て透過率は増加した。
はないかと考えた。
実験２
(3) (2)の溶液に，希塩酸を少量ずつ駒込ピペットで
青色の溶液に関する実験１では，青色光ではなく
橙色光の透過率や吸光度が一番大きく変化すること
に気がついた。文献によると，青色と橙色は互いに
補色という関係にあることがわかった。
加えて，ｐＨが 9.5 を示すように調整する。溶液
の一部をセルにとり，吸光度を測定する。
(4) (3)の溶液に，さらに希塩酸を少量ずつ駒込ピペ
ットで加える。ｐＨが表３に示す値になったとき
溶液の一部をセルにとり，吸光度を測定する。
＜実験結果＞
青色光
緑色光
橙色光
赤色光
468
565
610
660
5.0
0.185
0.054
0.093
0.046
5.5
0.166
0.035
0.111
0.073
6.0
0.147
0.070
0.094
0.038
6.5
0.125
0.142
0.165
0.054
7.0
0.104
0.140
0.223
0.102
7.5
0.088
0.202
0.312
0.129
8.0
0.071
0.286
0.439
0.210
8.5
0.045
0.385
0.539
0.244
9.0
0.044
0.394
0.580
0.274
9.5
0.050
0.377
0.574
0.261
波長(nm)
pH
図３色相環
図３の色相環で，反対側に位置する２色は互いに
補色の関係にある。目に見えるのは吸収された光の
補色である。したがって，橙色光(610nm)が吸収され
表３各ｐＨにおけるＢＴＢ溶液の吸光度
れば溶液は青色に見える。同様に，赤色光(660nm)
が吸収されれば溶液は緑色に見え，紫色光(420nm)
ところで，ＢＴＢ(ブロモチモールブルー)溶液は
塩基性のときには青色，中性のときには緑色そして
吸光度
が吸収されれば溶液は黄色に見えることになる。
酸性のときには黄色を示す。そこで，ＢＴＢ溶液の
色合いの変化に伴って，溶液の吸光度がどのように
変化するか調べてみる。
波長(nm)
図４各ｐＨにおけるＢＴＢ溶液の吸光度
＜薬品・器具＞
ＢＴＢ溶液(濃度約 25ppm の飽和水溶液)，希塩酸
(0.10mol/L)，
水酸化ナトリウム水溶液(0.10mol/L)，
ｐＨ計，ビーカー(500mL)，メートルグラス(10mL),
駒込ピペット(2mL)，ディスポセル，光電比色計
＜実験操作＞
(1) 200mL のＢＴＢ溶液をビーカーにいれる。
(2) 10mL の水酸化ナトリウム水溶液をメートルグラ
スではかりとり，(1)のビーカーに加える。
グラフは，なめらかな曲線となった。橙色光であ
る 610nm 付近の吸光度が，
最も大きく変化している。
青緑色光である 490nm 付近の吸光度は，ほとんど変
化しない。
＜考察及び結論＞
吸光度の変化が最も大きい橙色光(610nm)に着目
して考察を深める。塩基性でｐＨが 9.0 より大きい
ところでは，橙色光の吸光度が大きく溶液は青色に
見えている。
これは，
実験１の結論と一致している。
つまり，青色の濃度が大きいと考えられる。中性で
ｐＨが 7.0 のところや，酸性でｐＨが 6.0 より小さ
いところでは，橙色光の吸光度が小さくなり，青色
の濃度が減少したということになる。実験操作では
ＢＴＢ溶液の濃度は約 25ppm で，ほぼ一定を保つよ
う工夫している｡したがって，
塩基性のもとで青色に
見えるＢＴＢ分子(以下，青色構造という)が，中性
や酸性では化学変化して減少したと推定できる。
図６緑色物質の溶液の吸光度
ＢＴＢ分子の青色率(％)を次式で定義する。
青色率(％)＝
しかし，図６は図 4 の結果とは異なっており，緑色
青色構造のＢＴＢ分子の数
× 100
ＢＴＢ分子の総数
構造に変化するという仮説は不適と結論できる。
一方，酸性のときには，ＢＴＢ溶液は黄色に見え
橙色光
青色率
吸光度
(％)
5.0
0.093
0.0
5.0 のときの青色率を
5.5
0.111
3.7
収されるはずである。
残念ながら，
今回の装置では，
0.0％と仮定して，橙色
6.0
0.094
0.20
420nm 付近の吸光度を測定することができない。し
光の吸光度に基づいて
6.5
0.165
15
かし，青色光(468nm)の吸光度は，青色率の減少に伴
比例計算すると，青色
7.0
0.223
27
って増加しており，溶液は橙～黄色に見えることに
率は右表のようになる。
7.5
0.312
46
なる。そして，中性でｐＨが 7.0 の時にＢＴＢ溶液
グラフにすると，図５
8.0
0.439
72
が緑色に見えるのは，青色構造と黄色構造が 27:73
のようななめらかな曲
8.5
0.539
93
の割合で混合して緑色に見えていると推測できる。
線が得られる。
9.0
0.580
101
文献によると，ＢＴＢ分子には青色構造と黄色構
9.5
0.574
100
pH
ｐＨが 9.5 のときの
青色率を 100％，ｐＨが
る。今度は，青色構造が黄色に見えるＢＴＢ分子(以
下，黄色構造という)に変化したと仮定する。黄色構
造の溶液では，補色である紫色光(420nm 付近)が吸
造があり，ｐＨに伴い相互に変化している。
(％)
ｐＨ
図５ｐＨ変化に伴う青色率(％)
図７ＢＴＢ(ブロモチモールブルー)の分子構造
それでは，減少した青色構造は，何に変化したと
考えられるのだろうか。
中性でｐＨが 7.0 の時には，ＢＴＢ溶液は緑色に
３．参考文献
1) 西久夫，色素の化学，共立出版，1988
見える。そこで，青色構造が緑色に見えるＢＴＢ分
2) 東健一等，一般化学，朝倉書店，1978
子(以下，緑色構造という)に変化したと仮定する。
3) 田中誠之等，機器分析，裳華房，1978
緑色構造の溶液では，
補色である赤色光(660nm)が吸
4) フォトサイエンス化学図録，数研出版
収されるので，波長と吸光度の関係を示すグラフは
5) http://www.domani.jp/sawayama/20090615.html
図６のようになるはずである。
6) キリヤ化学株式会社ＨＰ

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