イオン交換樹脂

イオン交換樹脂は、なぜ計算問題とセットで問われるのか

――Na⁺とH⁺の交換を「1:1」で理解する

イオン交換樹脂は、知識問題としてだけでなく、計算問題と組み合わせて出題されることが非常に多い分野です。

その理由は、イオン交換樹脂の本質が「量の交換」にあるからです。

仕組みを理解せずに暗記で処理すると、途中で計算の意味が分からなくなります。

一方で、交換の原理を押さえると、計算は驚くほど単純になります。

この記事では、イオン交換樹脂の働きと計算問題を、同じ一本の線で整理します。

1．イオン交換樹脂とは何をしている物質か

イオン交換樹脂とは、水溶液中の特定のイオンを、別のイオンと交換する高分子物質です。

重要なのは「除去する」のではなく、「交換する」という点です。

代表的な陽イオン交換樹脂では、次のような構造をもっています。

• 樹脂の骨格に −SO₃⁻ が固定されている
• その電荷を打ち消すために H⁺ が結合している

この状態が、イオン交換前の基本形です。

2．Na⁺とH⁺は、必ず1:1で交換される

陽イオン交換樹脂に塩化ナトリウム水溶液を通すと、次の交換が起こります。

• 樹脂側の H⁺
• 水溶液側の Na⁺

この二つがそのまま1:1で交換されます。

ここで押さえるべき点は次の一点です。

Na⁺が1個入ってきたら、H⁺が1個出ていく

価数が同じ1価の陽イオン同士なので、電荷のつり合いは常に保たれます。

この「1:1交換」が、すべての計算の出発点になります。

3．イオン交換の反応は、難しい反応ではない

反応式を書くように求められると、身構えてしまうことがあります。

しかし、やっていることは非常に単純です。

陽イオン交換樹脂（H⁺型）に塩化ナトリウム水溶液を通した場合、

• Na⁺が樹脂に結合する
• H⁺が溶液側へ出る
• Cl⁻はそのまま溶液中に残る

結果として、溶液中には塩酸が生じます。

反応の本体は「イオンの交換」であり、特別な化学反応を新たに覚える必要はありません。

4．計算問題で数えるのは「交換されたイオンのmol」

イオン交換樹脂の計算問題で重要なのは、どの量を数えているかを見失わないことです。

例えば、

• 0.10 mol/L の NaCl 水溶液
• 体積 10 mL

が与えられている場合、まず求めるべきは Na⁺ の物質量です。

n(\mathrm{Na^+}) = 0.10 \times 0.010 = 1.0 \times 10^{-3}\ \mathrm{mol}

Na⁺が 1.0×10⁻³ mol 交換されたということは、

• H⁺ も同じ 1.0×10⁻³ mol 放出された

ということになります。

5．流出液の濃度は、体積で割るだけ

次に注目するのは、流出液の体積です。

仮に、流出液が 100 mL であれば、

[\mathrm{H^+}] = \frac{1.0 \times 10^{-3}}{0.100} = 1.0 \times 10^{-2}\ \mathrm{mol/L}

となります。

ここで新しい操作は何もありません。

• 交換されたイオンの mol を求める
• 流出液の体積で割る

それだけです。

6．pHがすぐに決まる理由

流出液中の H⁺ は、塩化物イオンと結びついています。

つまり、溶液は塩酸です。

\mathrm{HCl \rightarrow H^+ + Cl^-}

H⁺ の濃度が分かれば、pH は機械的に求まります。

\mathrm{pH} = 2

ここで重要なのは、酸の種類を新たに考えていないという点です。

イオン交換によって生じた H⁺ を、そのまま扱っているだけです。

7．Ca²⁺が出てくるときに必要な修正

溶液が塩化カルシウム水溶液の場合、話は少しだけ変わります。

Ca²⁺ は 2価の陽イオンです。

そのため、次の対応関係になります。

• Ca²⁺ 1個 ↔ H⁺ 2個

つまり、電荷をそろえるために、

H⁺ が2個必要になる

この点だけを修正すれば、考え方自体は同じです。

• 価数を確認する
• 電荷がつり合うように交換数を決める

これで十分です。

8．イオン交換樹脂問題が「計算とセット」な理由

イオン交換樹脂は、暗記項目としてはそれほど多くありません。

それでも計算問題とセットで出題される理由は明確です。

• イオンの価数
• 物質量
• 濃度と体積

これらを、仕組みの理解と同時に処理できるかを見ているからです。

単なる公式処理ではなく、「何がどれだけ交換されたか」を追えているかが問われます。

9．まとめ：イオン交換樹脂で崩れないために

イオン交換樹脂の問題で押さえるべき点は、次の三つです。

• イオンは「除去」ではなく「交換」される
• Na⁺ と H⁺ は 1:1 で交換される
• 計算で数えているのは、交換されたイオンの mol

この三点がつながると、

イオン交換樹脂の計算問題は、特別な問題ではなくなります。

「今、どのイオンを何 mol 数えているのか」

この視点を最後まで保つことが、最も重要です。