問題
気体に関する法則の説明として、正しいものはどれか。
(1) 一定温度のもとでは、気体の体積は圧力に比例する。
(2) 一定圧力のもとでは、気体体積は温度が1℃上昇するごとに0℃のときの体積の1/273ずつ増加する。
(3) 気体の体積は温度に関係なく常に一定である。
(4) 同一温度、同一圧力であっても、同一体積の気体に含まれる分子数は気体の種類によって異なる。
(5) 気体どうしの反応では、反応前後の体積比は必ず質量比と一致する。
危険物取扱者乙種４類｜気体の法則を解説
気体の体積は、温度や圧力の影響を大きく受けます。正解は(2)です。一定圧力のもとでは、気体の体積は温度が上がるほど大きくなり、0℃の体積を基準にすると、1℃上昇するごとに体積は0℃のときの体積の1/273ずつ増加します。これはシャルルの法則に関する基本知識です。
(1) 一定温度のもとでは、気体の体積は圧力に比例する。
不適切です。一定温度のもとでは、気体の体積は圧力に比例するのではなく、圧力に反比例します。これはボイルの法則です。たとえば、温度を一定にしたまま気体にかかる圧力を2倍にすると、気体の体積はおよそ2分の1になります。注射器の先をふさいで押すと中の空気が縮むように、圧力が大きくなるほど体積は小さくなります。「比例」と「反比例」を入れ替えるひっかけは非常によく出ます。
(2) 一定圧力のもとでは、気体体積は温度が1℃上昇するごとに0℃のときの体積の1/273ずつ増加する。
適切です。これはシャルルの法則の説明です。一定圧力のもとでは、気体の体積は温度の上昇に伴って増加します。0℃のときの体積を基準にすると、温度が1℃上がるごとに、その体積の1/273ずつ増加します。たとえば0℃で273mLの気体は、1℃上がると約1mL増えて274mLになります。気体の体積を考えるときは、摂氏温度だけでなく絶対温度との関係も重要です。絶対温度では0℃は273Kとして扱い、体積は絶対温度に比例します。
(3) 気体の体積は温度に関係なく常に一定である。
不適切です。気体の体積は温度の影響を受けます。一定圧力のもとでは、温度が上がると気体の分子運動が活発になり、体積は大きくなります。逆に温度が下がると、分子運動が弱まり、体積は小さくなります。液体や固体に比べて、気体は温度や圧力による体積変化が大きい物質です。「常に一定」という表現は、気体の性質としては誤りです。
(4) 同一温度、同一圧力であっても、同一体積の気体に含まれる分子数は気体の種類によって異なる。
不適切です。同一温度、同一圧力、同一体積の気体には、気体の種類に関係なく同じ数の分子が含まれます。これはアボガドロの法則です。酸素、窒素、二酸化炭素など気体の種類が違っても、温度、圧力、体積が同じであれば、含まれる分子数は同じです。気体の種類によって違うのは、分子1個あたりの質量や気体全体の質量であり、分子数ではありません。
(5) 気体どうしの反応では、反応前後の体積比は必ず質量比と一致する。
不適切です。気体どうしの反応では、同じ温度、同じ圧力のもとで、反応する気体や生成する気体の体積比が簡単な整数比になることがあります。これは気体反応の法則です。ただし、体積比と質量比が必ず一致するわけではありません。気体の質量は分子量によって変わるため、同じ体積でも気体の種類が違えば質量は異なります。体積比は分子数の比と関係し、質量比は分子量も含めて考える必要があります。
この問題で覚えるポイント
気体の法則では、ボイルの法則、シャルルの法則、アボガドロの法則、気体反応の法則を区別して覚えることが重要です。ボイルの法則は、一定温度で気体の体積が圧力に反比例するという法則です。シャルルの法則は、一定圧力で気体の体積が絶対温度に比例するという法則です。摂氏温度で表す場合、0℃の体積を基準にして、1℃上昇するごとに0℃の体積の1/273ずつ増加します。アボガドロの法則では、同一温度、同一圧力、同一体積の気体には、種類に関係なく同じ数の分子が含まれます。気体反応の法則では、同じ温度、同じ圧力のもとで、反応に関係する気体の体積比は簡単な整数比になります。ただし、体積比は質量比と同じではありません。試験では、比例と反比例、摂氏温度と絶対温度、分子数と質量の違いを正確に見分けることが正答につながります。
ひっかけポイント
このテーマでは、正しい法則名を知っていても、条件や比例関係を逆にされると間違えやすくなります。特に、ボイルの法則の「圧力に反比例」を「圧力に比例」とする問題は典型的なひっかけです。また、シャルルの法則では「1℃上昇ごとに1/273増加」という数値が重要ですが、基準は現在の体積ではなく0℃のときの体積です。さらに、アボガドロの法則では、同一条件なら気体の種類に関係なく分子数が同じである点が狙われます。日常感覚では、重い気体には分子が多く入っていそうに感じますが、違うのは分子数ではなく質量です。体積比と質量比を混同させる問題もよく出るため、気体の体積は分子数と関係し、質量は分子量にも左右されると整理しておくと安定して判断できます。
