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。
- 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。
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。
- 気体は温度を高くすると膨張する
- 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。
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！
p：圧力〔Pa〕
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！
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。
- 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。
(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！
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。
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！
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！
コメント