アルミニウムイオン(Al³⁺)にNaOHを加えたときの反応については、以前に検討しました(2019/04/14)。今回は、Al³⁺にアンモニア水を加えた場合についてエクセルのソルバー機能を用いて定量的に解析します。

具体的には、濃度C_al mol/Lの硝酸アルミニウム溶液に、濃度がC_nh mol/Lとなるようにアンモニアを添加することを考えます。計算の煩雑さを避けるため、アンモニアの添加による溶液の体積変化は無視します。

また、Al(OH)₃の溶解度積をpK_sp = 32.3

アンモニウムイオンの酸解離定数をpK_n = 9.37

アルミニウムのヒドロキソ錯体の生成定数を、

logβ_o1=9.0, logβ_o2=17.9, logβ_o3=25.2, logβ_o4=33.3

とし、これ以外の平衡は無視します。活量係数は1とします(25℃)。

C_al = 0.1 mol/Lとし、Ｃ_nhの値を変化させたときのAl(OH)₃の溶解度Sおよび化学種濃度をエクセルのソルバー機能を用いて求めます。

●ソルバーのパラメータ設定

・目的セル：電荷バランス、Q =0

・変数セル：pH およびpNH₃

・制約条件：アンモニアの物質バランス、R = C_nh－[NH₃’] = 0

●特に、沈殿の生成・消滅境界におけるパラメータ設定は、

・目的セル：電荷バランスQ =0

・変数セル：pH, pNH₃ およびC_nh

・制約条件：R = 0 および[Al][OH]^{^3}/K_sp = 1

●[Al]の計算式

・沈殿のないとき：[Al] =C_al/α

・沈殿のあるとき：[Al] =K_sp/[OH]^{^3}

結果は次の通りです。

図-1（アンモニア濃度に対する溶解度・化学種濃度）

図-2（溶解度・化学種濃度のpH依存性）

図-3（溶解度および沈殿率）

図-4（エクセルシート(計算式の例)）

0.1 mol/L硝酸アルミニウムにアンモニアを加えると、添加したアンモニア濃度が0.004 mol/L (pH3.6)付近でAl(OH)₃の沈殿生成が始まり、当量点(C_nh=0.3mol/L) (pH6.4)付近で溶解度は最小(S=4.9×10^{^-7} mol/L)となります。さらにアンモニアを過剰に加えると、溶解度が増加することが分かります。

アルミニウムの化学種について言うと、当量点(C_nh=0.3 mol/L)付近まではAl^{^3+} が主成分ですが、当量点を過ぎるとAl(OH)₄^{^-}が優勢となります。