塩化カルシウムは水に溶け水溶液になる？反応式や何性か？【溶解度やph】

化学の実験や日常生活で頻繁に登場する塩化カルシウム。この白色の結晶性物質は、除湿剤や融雪剤として私たちの身近なところで活躍しています。

しかし、塩化カルシウムが水に溶けるとどうなるのか、その詳しいメカニズムを理解している方は意外と少ないのではないでしょうか。

本記事では、塩化カルシウムの水への溶解性、化学反応式、水溶液の性質、さらには溶解度やpHといった重要な化学的特性について、基礎から応用まで徹底的に解説していきます。

化学を学ぶ学生はもちろん、実務で塩化カルシウムを扱う方々にとっても、必ず役立つ知識が詰まっているはずです。それではまず、塩化カルシウムの基本的な性質と水への溶解性について詳しく見ていきましょう。

塩化カルシウムの基本的性質と水への溶解性

塩化カルシウムは化学式CaCl₂で表される無機化合物であり、カルシウムイオンと塩化物イオンから構成される塩です。

塩化カルシウムの化学式と分子構造

塩化カルシウムの化学式はCaCl₂であり、1つのカルシウムイオン（Ca²⁺）と2つの塩化物イオン（Cl⁻）が結合しています。

この物質はイオン結合による結晶構造を持ち、常温では白色の固体として存在します。分子量は約110.98で、結晶の形状は直方晶系に属するのが特徴でしょう。

市販されている塩化カルシウムには無水物のほか、二水和物（CaCl₂·2H₂O）や六水和物（CaCl₂·6H₂O）といった水和物も存在している点に注意が必要です。

水への溶解メカニズムと発熱反応

塩化カルシウムは水に非常によく溶ける性質を持っており、この溶解過程で大きな発熱を伴う点が大きな特徴となっています。

水分子の極性によってイオン結晶が崩され、Ca²⁺とCl⁻がそれぞれ水分子に囲まれて水和します。この水和エネルギーが結晶格子エネルギーを上回るため、全体として溶解が進行するのです。

溶解の際、固体の結晶構造が崩れることでエントロピー（乱雑さ）が増大し、熱力学的に安定な状態へと移行していきます。

塩化カルシウムの吸湿性と潮解性

塩化カルシウムは極めて強い吸湿性を示すことで知られており、空気中の水分を積極的に吸収する性質を持っています。

この吸湿性は単なる表面への水分付着ではなく、潮解（ちょうかい）と呼ばれる現象を引き起こすのが特徴です。潮解とは、固体が空気中の水蒸気を吸収して自ら溶解し、液体状になる現象を指しています。

性質	内容
吸湿性	非常に強い（相対湿度30%以上で吸湿開始）
潮解性	あり（湿度が高いと液体化）
乾燥剤としての効果	シリカゲルより強力
保存方法	密閉容器で湿気を避ける

この性質により、除湿剤として優れた性能を発揮する一方で、保管時には密閉容器が必須となるわけですね。

塩化カルシウム水溶液の化学反応式と電離

塩化カルシウムが水に溶解する際の化学的変化について、反応式を用いて詳細に確認していきましょう。

溶解過程の化学反応式

塩化カルシウムが水に溶ける過程は、以下の反応式で表すことができます。

この式において、(s)は固体（solid）、(aq)は水溶液中（aqueous）を意味しています。塩化カルシウムは水中で完全に電離する強電解質であり、ほぼ100%がイオンに分かれるんです。

水和物が溶解する場合は、さらに結晶水の放出も含まれることになります。例えば二水和物の場合は次のように表せるでしょう。

電離平衡とイオン濃度

塩化カルシウムは強電解質であるため、水溶液中では電離平衡を考慮する必要がほとんどありません。

1モルのCaCl₂が完全に溶解すると、1モルのCa²⁺と2モルのCl⁻が生成される計算になります。この比率は化学量論的に厳密に守られているのが特徴です。

例えば、0.1 mol/Lの塩化カルシウム水溶液では、Ca²⁺の濃度は0.1 mol/L、Cl⁻の濃度は0.2 mol/Lとなります。

CaCl₂濃度	Ca²⁺濃度	Cl⁻濃度
0.05 M	0.05 M	0.10 M
0.10 M	0.10 M	0.20 M
0.50 M	0.50 M	1.00 M
1.00 M	1.00 M	2.00 M

このイオン濃度の関係は、溶液の電気伝導度や浸透圧を計算する際に重要な情報となってきます。

水との相互作用と水和

溶解したイオンは水分子と強く相互作用し、水和イオンとして安定化される仕組みです。

Ca²⁺イオンは比較的小さく電荷密度が高いため、周囲に多数の水分子を配位させます。この水和により、イオンは水溶液中で安定に存在できるようになるのです。

塩化物イオンも同様に水和されますが、陰イオンであるため水分子の水素原子側が配向する点が異なっています。

塩化カルシウム水溶液の酸性・塩基性（pH）

続いては、塩化カルシウム水溶液が示す酸性・塩基性について、pHの観点から詳しく確認していきましょう。

塩化カルシウム水溶液のpH値

塩化カルシウム水溶液は基本的に中性を示し、pHは約7付近の値となります。

これは、塩化カルシウムが強酸（塩酸HCl）と強塩基（水酸化カルシウムCa(OH)₂）から生成する正塩であることに起因しています。強酸と強塩基の塩は加水分解を起こさないため、水溶液は中性になるんです。

ただし、実際の測定値は溶液の濃度や温度、不純物の有無によってわずかに変動することがあります。高濃度の溶液では、イオン強度の影響でpHがわずかにずれる場合もあるでしょう。

加水分解反応の有無

塩の水溶液が酸性や塩基性を示すかどうかは、構成イオンの加水分解によって決まってきます。

Ca²⁺は強塩基である水酸化カルシウム由来のイオンであるため、加水分解をほとんど起こしません。同様に、Cl⁻も強酸である塩酸由来であるため加水分解しない性質を持っています。

したがって、以下のような加水分解反応は実質的に進行しないのです。

この性質により、塩化カルシウム水溶液は安定した中性環境を維持できるというわけですね。

実際の測定における注意点

実験室で塩化カルシウム水溶液のpHを測定する際には、いくつかの注意すべき点があります。

まず、使用する水の純度が重要となります。蒸留水やイオン交換水を使用しないと、不純物の影響で正確なpH値が得られない可能性があるんです。

要因	pHへの影響
溶存CO₂	わずかに酸性側へシフト
温度上昇	pHがわずかに低下
高濃度	イオン強度の影響で測定誤差
不純物（酸・塩基）	大きく変動する可能性

また、溶解時の発熱によって温度が上昇するため、測定前に室温まで冷却することが推奨されます。pH電極も温度補正機能付きのものを使用すると、より正確な測定が可能になるでしょう。

塩化カルシウムの溶解度と温度依存性

塩化カルシウムの溶解度は温度によって大きく変化するため、その特性を理解することが重要になってきます。

各温度における溶解度データ

塩化カルシウムの水への溶解度は、温度の上昇とともに増加する傾向を示しています。

20℃の水100gに対して約74gの塩化カルシウム（無水物）が溶解するとされており、これは非常に高い溶解度だと言えるでしょう。

温度（℃）	溶解度（g/100g水）	飽和濃度（mol/L）
0	59.5	約5.4
20	74.5	約6.7
40	100	約9.0
60	128	約11.5
80	147	約13.2
100	159	約14.3

この溶解度曲線は比較的なだらかな上昇を示しており、急激な温度変化があっても結晶の析出が起こりにくい特徴があります。

溶解度積と飽和溶液

飽和溶液においては、溶解と析出が平衡状態にあり、一定の濃度が保たれている状態です。

この高い溶解度は、塩化カルシウムのイオン結合エネルギーと水和エネルギーのバランスによって決定されています。水和エネルギーが大きいほど溶解度は高くなる傾向があるのです。

結晶の析出と水和物の形成

塩化カルシウム溶液を冷却したり蒸発させたりすると、結晶が析出してくる現象が観察されます。

この際、温度条件によって無水物、二水和物、六水和物など異なる形態の結晶が得られるのが興味深い点です。

一般に、室温付近では二水和物（CaCl₂·2H₂O）が析出しやすく、より低温では六水和物が安定となります。逆に高温や乾燥条件下では無水物が得られやすくなるでしょう。

これらの水和物の相転移を利用することで、目的に応じた形態の塩化カルシウムを得ることが可能になるわけです。

まとめ

塩化カルシウムは水に非常によく溶ける性質を持ち、溶解時には強い発熱を伴うことが確認できました。

化学式CaCl₂で表されるこの化合物は、水中で完全に電離してCa²⁺と2Cl⁻のイオンを生成し、強電解質として振る舞います。水溶液のpHは約7の中性を示すため、強酸と強塩基から成る正塩であることが理解できるでしょう。

溶解度は温度とともに上昇し、20℃で水100gあたり約74gという非常に高い値を示しています。この高い溶解度と強い吸湿性により、除湿剤や融雪剤として幅広く利用されているんですね。

溶解過程では水和イオンが形成され、結晶の析出時には温度に応じて様々な水和物が得られる点も重要な特徴です。これらの基礎知識は、化学実験や工業応用において塩化カルシウムを適切に扱うための基盤となるはずです。

塩化カルシウムの化学的性質を正しく理解することで、より安全で効果的な利用が可能になるでしょう。