問題
気体に関する法則について、誤っているものはどれか。
(1) 一定温度のもとでは、気体の体積は圧力が大きくなるほど小さくなる。
(2) 一定圧力のもとでは、気体体積は温度の上昇とともに増加する。
(3) 同一温度、同一圧力、同一体積の気体には、気体の種類にかかわらず同じ数の分子が含まれる。
(4) 気体が反応して生成物も気体である場合、同一温度、同一圧力では体積比は簡単な整数比となる。
(5) 一定温度のもとでは、気体の体積は圧力に比例して大きくなる。
危険物取扱者乙種４類｜気体の法則 ボイルの法則 シャルルの法則 アボガドロの法則を解説
気体の体積、圧力、温度、分子数の関係を正しく理解しているかを確認する内容です。答えは(5)です。一定温度では、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。圧力を大きくすると気体は押し縮められ、体積は小さくなります。これはボイルの法則の基本であり、危険物取扱者試験でも非常によく問われる重要事項です。
(1) 一定温度のもとでは、気体の体積は圧力が大きくなるほど小さくなる。
適切です。これはボイルの法則を表しています。ボイルの法則では、温度が一定であれば、気体の体積は圧力に反比例します。たとえば、密閉された注射器の先をふさいでピストンを押すと、中の空気の体積は小さくなり、圧力は高くなります。反対に、ピストンを引くと体積は大きくなり、圧力は低くなります。このように、圧力と体積は同じ向きに増減するのではなく、反対向きに変化します。
(2) 一定圧力のもとでは、気体体積は温度の上昇とともに増加する。
適切です。これはシャルルの法則を表しています。シャルルの法則では、圧力が一定であれば、気体の体積は絶対温度に比例します。温度が上がると気体分子の運動が活発になり、同じ圧力を保つためには体積が大きくなります。ここで注意したいのは、温度は摂氏温度ではなく絶対温度で考えるという点です。絶対温度は、摂氏温度に273を加えた値で表されます。試験では、温度が上がると体積が増えるという基本関係を押さえておくことが大切です。
(3) 同一温度、同一圧力、同一体積の気体には、気体の種類にかかわらず同じ数の分子が含まれる。
適切です。これはアボガドロの法則を表しています。気体の種類が水素、酸素、窒素、二酸化炭素などで異なっていても、同じ温度、同じ圧力、同じ体積であれば、含まれる分子の数は同じになります。たとえば、同じ条件で1Lの酸素と1Lの水素を比べた場合、分子の重さは異なりますが、分子の数は同じです。気体では、種類そのものよりも、温度、圧力、体積の条件が分子数を決める重要な要素になります。
(4) 気体が反応して生成物も気体である場合、同一温度、同一圧力では体積比は簡単な整数比となる。
適切です。これは気体反応の法則を表しています。気体どうしが反応し、生成物も気体である場合、同じ温度、同じ圧力の条件では、反応する気体と生成する気体の体積の比は、簡単な整数比になります。たとえば、水素と酸素が反応して水蒸気を生じる場合、体積比は水素：酸素：水蒸気＝2：1：2のように表されます。これは化学反応式の係数と気体の体積比が対応するためです。
(5) 一定温度のもとでは、気体の体積は圧力に比例して大きくなる。
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して大きくなるのではなく、圧力に反比例して小さくなります。これはボイルの法則に反する記述です。圧力が2倍になれば、理想的には体積は2分の1になります。圧力が3倍になれば、体積は3分の1になります。つまり、圧力が大きくなるほど体積も大きくなるという考え方は誤りです。試験では、「比例」と「反比例」の言い換えで正誤を判断させる問題がよく出ます。
この問題で覚えるポイント
ボイルの法則は、温度が一定のとき、気体の体積は圧力に反比例するという法則です。式で表すと、圧力×体積＝一定、つまりPV＝一定です。圧力が大きくなると体積は小さくなり、圧力が小さくなると体積は大きくなります。シャルルの法則は、圧力が一定のとき、気体の体積は絶対温度に比例するという法則です。温度が上がると体積は増加し、温度が下がると体積は減少します。ここで使う温度は摂氏温度ではなく絶対温度であり、Kで表します。アボガドロの法則は、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るという法則です。気体反応の法則では、気体が反応し、生成物も気体である場合、同一温度、同一圧力では体積比が簡単な整数比になります。正誤判断では、「一定温度ならボイルの法則」、「一定圧力ならシャルルの法則」、「同一温度・同一圧力・同一体積ならアボガドロの法則」と条件から法則を結びつけることが重要です。
ひっかけポイント
このテーマでは、「比例」と「反比例」の取り違えが最もよくあるひっかけです。圧力が大きいほど体積も大きくなるように感じてしまう場合がありますが、実際には気体は押し縮められるため、圧力が大きくなるほど体積は小さくなります。また、シャルルの法則では温度が上がると体積が増えるため、その印象につられて、ボイルの法則でも圧力が上がると体積が増えると混同しやすくなります。さらに、温度条件が「一定温度」なのか、圧力条件が「一定圧力」なのかによって使う法則が変わります。気体の法則では、どの条件を一定にしているかを最初に確認し、体積が何に対して比例するのか、反比例するのかを丁寧に判断することが大切です。
