危険物乙4の物理・化学の要点|比熱・静電気・物質量の計算を例題で整理

物質の状態変化と蒸気圧

物質には、固体・液体・気体の3つの状態(三態)があります。温度や圧力が変わると、物質は別の状態へ移ります。このとき物質そのものは変わらないので、状態変化は 物理変化 です。

沸点は「蒸気圧=外の圧力」になる温度

液体の表面からは、常に分子が飛び出しています。密閉した容器で、飛び出す分子と戻る分子がつり合ったときの蒸気の圧力を 蒸気圧(飽和蒸気圧) といいます。蒸気圧は温度が高いほど大きくなります。蒸気圧が外の圧力(外圧)と等しくなると、液体の内部からも気化が起こります。これが沸騰で、そのときの温度が 沸点 です。

• 外圧が低いと、沸点は下がります(高い山の上では、水が100℃より低い温度で沸騰します)。外圧が高いと、沸点は上がります。
• 同じ温度で蒸気圧が大きい液体ほど、蒸発しやすく、沸点は低くなります。
• 純粋な液体では、沸騰している間は加えた熱が気化に使われるので、液体の温度は沸点のまま上がりません(ガソリンのような混合物は、沸騰しながら温度が上がっていきます)。

比重と蒸気比重

比重 は、ある物質の重さを、同じ体積の水(4℃)と比べた値です。比重が1より小さい液体は、水に溶けなければ水に浮きます。蒸気比重 は、蒸気の重さを同じ体積の空気と比べた値です。空気の平均の分子量は約29なので、分子量が29より大きい物質の蒸気は空気より重く、低い所にたまります。第4類の危険物の蒸気の多くが低所にたまりやすいのは、このためです(詳しくは第4類の性質の記事)。

熱:比熱と熱量・熱の移動・熱膨張

比熱と熱量の計算

比熱 は、物質1gの温度を1K(1℃)上げるのに必要な熱量です。単位は J/(g・K) です。比熱が大きい物質ほど、温まりにくく冷めにくい性質があります。物質全体の温度を1K上げるのに必要な熱量を 熱容量 といい、「質量×比熱」で求めます。物質に与える熱量 Q は、次の式で計算します。

1. 例題: 比熱 2.0 J/(g・K) の液体 500 g を、15℃から45℃まで温めるのに必要な熱量は?
2. 温度の変化は 45 − 15 = 30 K です。
3. Q = 500 × 2.0 × 30 = 30,000 J。1 kJ = 1,000 J なので、答えは 30 kJ です。
4. 逆に「この液体に 30 kJ を与えると何℃上がるか」と問われたら、Δt = Q ÷ (m × c) = 30,000 ÷ (500 × 2.0) = 30 K と式を変形します。

質量の単位が kg で書かれていたら、g に直してから計算します。単位をそろえることが、計算でいちばん間違えやすいところです。

熱の移動は3つ

熱膨張と気体の法則

液体は温度が上がると体積が増えます。増える体積は「元の体積×体膨張率×温度の変化」です。例として、体膨張率が 1.0×10⁻³ /K の液体 1,000 L が 20℃ 温まると、1,000 × 0.001 × 20 = 20 L 増えます。容器いっぱいに液体を詰めると、温度が上がったときにあふれたり容器が壊れたりするおそれがあるので、容器には空間を残します。

気体では、ボイル・シャルルの法則(圧力×体積÷絶対温度が一定)を使います。絶対温度 T[K] は、セルシウス温度[℃]に273を足した値です。

1. 例題: 27℃・1.0×10⁵ Pa で 3.0 L の気体を、127℃・2.0×10⁵ Pa にすると体積は?
2. 絶対温度に直します。27 + 273 = 300 K、127 + 273 = 400 K。
3. P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂ より、V₂ = 3.0 × (1.0×10⁵ ÷ 2.0×10⁵) × (400 ÷ 300) = 3.0 × 0.5 × 4/3 = 2.0 L です。

静電気:発生・蓄積・火災の予防

2つの物質がこすれ合ったり、接触して離れたりすると、一方が正(+)に、他方が負(−)に帯電します。これが 静電気 です。たまった静電気が一気に放電すると火花が出て、周りに燃焼範囲の濃さの可燃性蒸気があると、点火源になります。第4類の危険物の多くは電気を通しにくい(電気の不良導体)ため、流したり、かき混ぜたりしたときに静電気がたまりやすい性質があります。

物質の種類:単体・化合物・混合物

似た言葉に、同素体・同位体・異性体があります。どれも「何が同じで、何が違うか」で区別します。

物質そのものが変わらない変化(状態変化・溶解など)を 物理変化、別の物質ができる変化(燃焼・鉄のさび・中和など)を 化学変化 といいます。「ドライアイスが気体になる」は物理変化、「木炭が燃えて二酸化炭素になる」は化学変化です。

化学反応式と物質量(モル)

物質量 は、粒子の数を「mol(モル)」という単位で表したものです。1 mol は約 6.0×10²³ 個の粒子の集まりです。1 mol の質量は、分子量(構成する原子の原子量の和)に g をつけた値になります。また、気体 1 mol の体積は、0℃・1気圧(1.013×10⁵ Pa)で約 22.4 L です。

化学反応式の係数は、反応する物質と生じる物質の 物質量の比 を表します。反応式の左右で、原子の種類と数が等しくなるように係数をつけます。

1. 例題: メタン(CH₄)32 g を完全燃焼させるのに必要な酸素の質量と、0℃・1気圧での体積は?(原子量は C=12、H=1、O=16 とする)
2. 反応式は CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O。メタン1 mol に酸素2 mol が反応します。
3. メタンの分子量は 12 + 1×4 = 16。32 g は 32 ÷ 16 = 2 mol です。
4. 必要な酸素は 2 × 2 = 4 mol。酸素の分子量は 32 なので、質量は 4 × 32 = 128 g、体積は 4 × 22.4 = 89.6 L です。
5. 同じ式から、生じる二酸化炭素は 2 mol(2 × 44 = 88 g)、水は 4 mol(4 × 18 = 72 g)とわかります。

反応熱と反応の速さ

化学反応で出入りする熱を 反応熱 といいます。熱を出す反応が発熱反応、熱を吸収する反応が吸熱反応です。燃焼は発熱反応で、物質1 mol が完全燃焼するときに出る熱を燃焼熱といいます。たとえば燃焼熱が 890 kJ/mol の物質 2 mol が完全燃焼すれば、出る熱は 890 × 2 = 1,780 kJ です。反応の速さは、一般に温度が高いほど、濃度が高いほど、触媒(自分は変化せずに反応を速める物質)があるほど速くなります。

酸と塩基、酸化と還元

酸・塩基・中和・pH

酸と塩基が反応して、互いの性質を打ち消し合うことを 中和 といい、水と塩(えん)ができます。例: HCl + NaOH → NaCl + H₂O。中和がちょうど終わるのは、酸が出す H⁺ の物質量と、塩基が出す OH⁻ の物質量が等しくなったときです。

1. 例題: 0.10 mol/L の塩酸 100 mL を中和するのに必要な 0.20 mol/L の水酸化ナトリウム水溶液は何 mL?
2. 塩酸の H⁺ は 0.10 × 0.100 L = 0.010 mol。
3. 必要な NaOH も 0.010 mol なので、0.010 ÷ 0.20 = 0.050 L = 50 mL です。

酸化と還元は同時に起こる

たとえば CuO + H₂ → Cu + H₂O では、酸化銅(Ⅱ)は酸素を失って 還元 され、水素は酸素と結びついて 酸化 されています。このように、酸化と還元は1つの反応の中で同時に起こります。相手を酸化する物質を 酸化剤(自分は還元される)、相手を還元する物質を 還元剤(自分は酸化される)といいます。燃焼は、熱と光を出しながら進む激しい酸化反応です。第1類と第6類の危険物が「酸化性」(酸化性固体・酸化性液体)と呼ばれるのは、ほかの物質を酸化するはたらきが強いためです。

物理・化学で学んだ蒸気圧・熱・静電気・酸化の考え方は、燃焼のしくみや第4類の危険物の性質を理解する土台になります。次は燃焼と消火の記事と第4類の品名と性質の記事に進み、学習の進み具合は学習状況で確かめてください。