【3】気体【化学解説】

気体カリキュラム

この記事では、化学「気体」の解説をしていきます。

この項のポイントは以下の3つです。

ポイント
  • ボイルシャルルの法則
  • 気体の状態方程式
  • 混合気体の圧力

「気体」は、化学の3つめの章で、そろそろ化学に苦手意識を持ち始める人が出てきます。

重要な単元ですので、しっかり勉強していきましょう。

この単元をマスターすれば、気体が得意分野になり、苦手意識をもっている人とグンと差がつけられます!

なお、前の章はこちらから飛べます。

ボイルシャルルの法則

この項目を勉強する意味は「気体分野の基本。でも、ボイルシャルルが使いこなせれば、気体分野のいろんな問題を解けるようになるです。

勉強していきましょう。

ボイル・シャルルの法則

一定の気体の体積Vは圧力pに反比例し、絶対温度T(273+温度〔℃〕)に比例する。

pV = kT(kは定数)

また、圧力をp2に保ったまま、温度をT2にした時の体積をV2とすると

(p1V1)/T1 = (p2V2)/T2

記号や式がいくつも出てきて分かりにくいですが、ポイントは以下の2つだけ。

ポイント
  1. 気体は温度を高くすると膨張する
  2. 気体にかける圧力を高くすると、縮小する

1番の例は、コンビニでパンを買った時、レンジで温めることを想像してください。

袋をちょっとだけ開けてレンジに入れますよね?

それは、密閉状態でレンジで加熱すると、中の空気が膨張して破裂しちゃうからなんです。

 

2番の例は簡単で、自転車の空気入れをグッと抑え込むとシリンダーが下がりますよね。

これは空気入れ内の空気に圧力をかけたため、空気が縮小したということ。

 

ボイルシャルルの法則は難しそうに見えて、当たり前のことを言っているだけなんですよ。

テッド
テッド

大げさな名前の法則だけど、恐るるに足りません!

気体の状態方程式

次に紹介するのは「気体の状態方程式」。

この項目を勉強する意味は「ボイルシャルル・状態方程式が使いこなせれば、気体分野は怖く無くなるです。

勉強していきましょう!

気体の状態方程式
pV=nRT

p:圧力〔Pa〕
V:体積〔L〕
n:物質量〔mol〕
R:気体定数(8.31×103Pa・L(mol・K))
T:絶対温度〔K〕

気体の状態方程式は、ボイルシャルルの法則の定数kがnRになっただけ。

 

つまり、物質量がn〔mol〕の気体について、ボイルシャルルの法則を表したものです。

注意点はボイルシャルルの法則と同じだと思ってオーケー!

テッド
テッド

気体の問題中に「物質量」という文字が出てきたら、状態方程式を使う合図!

気体の状態方程式について、覚えておくポイントは以下3つ。

 

Check
  • 気体定数Rは覚える必要はありません
  • モル質量 M〔g/mol〕(分子量)を求める問題もある
  • 状態方程式をn = m / M(m:気体の質量)とすれば、モル質量が求められる

気体定数Rは問題文中に当てられるので、覚える必要はありません。

 

また、モル質量 M〔g/mol〕(分子量)を算出する問題も頻出。

分子量とモル質量は同じ値になるため、分子量を求めろと言われたら、モル質量を求めるのと同義だと思ってください。

下で、酸素分子を例に挙げて分子量=モル質量となる理由を解説します。

分子量=モル質量の理由
分子量の定義は¹²Cを12としたときの質量の比。
(酸素分子O₂の質量):(¹²Cの質量)=32:12 であり、O₂の分子量は 32となる。
比なので単位はない。

モル質量は、何かを1mol集めたときの質量。
O₂を1mol集めると、32gになるので、O₂のモル質量は 32g/mol となる。

ふたつは同じ値になるが、意味は違う!

 

混合気体の圧力

次に紹介するのは「混合気体の圧力」。

この項目でそろそろ化学への脱落者が出てきます。

逆にいうと、「ライバルに差をつけるチャンス」なので、しっかりと勉強していきましょう!

分圧の法則

混合気体の全圧は、その成分気体の分圧の和に等しい

混合気体の全圧=成分気体の分圧の和(p = pA+pB)

  • p:混合気体の圧力
  • pA:成分気体Aの圧力
  • pB:成分気体Bの圧力

よく分からなくなってきましたが、実はそれほど難しいことでもないんです。

酸素が詰まった箱に窒素を注入すると、箱内部の圧力が上がることはイメージできますか?

まさにこういうことを言っているだけで、「箱内部の圧力= 酸素の圧力 +窒素の圧力」つまり、「p = pO2+ pN2」というわけです。

テッド
テッド

ぎゅうぎゅうのエレベーター(酸素が詰まった箱)にさらに人(窒素)を押し込むと、外に押し出される力(箱内部の圧力)が大きくなるみたいなもんだね。

あとは、難しい用語として「モル分率」「平均分子量」が出てきますね。

モル分率はお利口さんな説明をすると「混合気体中の全物質量に対する成分気体の物質量の割合」。

A,Bが混合した混合気体中の、成分気体Aのモル分率はnA/(nA + nB)で表すことができます。

例えば、4個の酸素分子と6個の窒素分子が混合した気体の酸素のモル分率は 4 / (4 + 6)=0.4です。

 

平均分子量とは「成分気体の分子量にモル分率をかけて足し合わせたもの」。

A, Bの混合気体の平均分子量は「Aの分子量×Aのモル分率 + Bの分子量×Bのモル分率」で出せます。

つまり、「混合気体の全ての分子が同じ質量を持つと考えたときの分子量」のこと。

さっきの4個の酸素分子と6個の窒素分子が混合した気体を例にすると・・・

平均分子量M = 32 × 0.4 + 28 × 0.6 = 29.6となります。

4個の酸素分子と6個の窒素分子が混合したMという気体は、分子量が29.6の気体であるということ!

テッド
テッド

気体は、化学の最初のつまづきポイントです。
基本問題を何度も解いて、自信をつけよう!

まとめ

「気体」について理解できましたか?

この記事の内容をまとめます。

  • ボイルシャルルの法則:気体分野の基本!
  • 気体の状態方程式:同じく、気体分野の基本なので、使いこなせるようにしよう。
  • 混合気体の圧力:ここで化学脱落者が出るので、しっかり着実に進むこと!

この単元をマスターし、混合気体の問題も解けるようになって周りより有利になれた方は、次の単元に行ってみましょう。 

よくわからなかった人は、繰り返し勉強して、堅実に進みましょう!

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