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気体の生成・分圧・溶解｜難易度順30問

公開日: 2026-07-27 / 更新日: 2026-07-28 00:23:03

30 VARIED CHEMISTRY PROBLEMS

気体反応・分圧・溶解
難易度順30問

メタノール、メタン、エタノール、炭酸塩、金属、過酸化水素、 一酸化炭素、炭化水素の燃焼を扱います。 各問題は単独で成立するよう、反応式と条件を問題文内に記載しています。

共通して使用する値

R = 8.31×103 Pa・L/(mol・K)

CO₂の溶解度について特に断らない場合、 273 K、CO₂分圧1.0×10⁵ Paで、 水1.0 Lに0.080 mol溶けるものとします。

H₂、O₂、CO、CH₄の水への溶解は無視します。

基礎 Q1〜Q8

基礎 Q1

メタノールから生じる気体

メタノールCH3OH 0.12 molを、 十分な水蒸気と完全に反応させた。

CH3OH + H2O → CO2 + 3H2

生成するCO₂とH₂をそれぞれ求めよ。

解答・解説
n(CO2) = 0.12 mol
n(H2) = 0.12 × 3 = 0.36 mol
答え：CO₂ 0.12 mol、H₂ 0.36 mol
基礎 Q2

メタンの水蒸気改質

メタンCH₄ 0.15 molを、十分な水蒸気と完全に反応させた。

CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2

生成するCO₂とH₂を求めよ。

解答・解説
n(CO2) = 0.15 mol
n(H2) = 0.15 × 4 = 0.60 mol
答え：CO₂ 0.15 mol、H₂ 0.60 mol
基礎 Q3

エタノール改質後の水素純度

エタノールC₂H₅OH 0.10 molを、 十分な水蒸気と完全に反応させた。

C2H5OH + 3H2O → 2CO2 + 6H2

反応直後の混合気体中におけるH₂のMole fraction（モル分率）と純度を求めよ。

解答・解説
CO₂ 0.20 mol、H₂ 0.60 molが生成します。
xH₂ = 0.60 ÷ (0.60 + 0.20) = 0.75
答え：モル分率0.75、純度75%
基礎 Q4

炭酸カルシウムから発生するCO₂

炭酸カルシウムCaCO₃ 5.00 gに、 十分な塩酸を加えて完全に反応させた。 CaCO₃のモル質量を100 g/molとする。

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2O + CO2

発生するCO₂は何molか。

解答・解説
n(CaCO3) = 5.00 ÷ 100 = 0.0500 mol
係数比は1:1です。 答え：CO₂ 0.0500 mol
基礎 Q5

亜鉛と塩酸の限界反応物

亜鉛Zn 6.54 gと、塩酸HCl 0.150 molを反応させた。 Znのモル質量を65.4 g/molとする。

Zn + 2HCl → ZnCl2 + H2

Limiting reagent（限界反応物）と、発生するH₂の物質量を求めよ。

解答・解説
Znは0.100 molです。 Zn 0.100 molにはHCl 0.200 molが必要ですが、 HClは0.150 molしかありません。
n(H2) = 0.150 ÷ 2 = 0.0750 mol
答え：限界反応物はHCl、H₂ 0.0750 mol
基礎 Q6

CO₂の溶解量

CO₂は273 K、分圧1.0×10⁵ Paで、 水1.0 Lに0.080 mol溶ける。 CO₂分圧が3.0×10⁴ Paのとき、 水2.5 Lに溶けるCO₂を求めよ。

解答・解説
0.080 × 2.5 × 3.0×104 ÷ 1.0×105 = 0.060 mol
答え：0.060 mol
基礎 Q7

必要な水量

CO₂分圧2.0×10⁴ Paのもとで、 CO₂ 0.048 molを水に溶かしたい。 CO₂は分圧1.0×10⁵ Paで、 水1.0 Lに0.080 mol溶ける。 必要な水量を求めよ。

解答・解説
この分圧では、水1 Lに0.016 mol溶けます。
0.048 ÷ 0.016 = 3.0 L
答え：3.0 L
基礎 Q8

水素が占める体積

H₂ 0.250 molが300 K、1.00×10⁵ Paにある。 このH₂が占める体積を求めよ。

解答・解説
V = nRT ÷ p = 0.250 × 8.31×103 × 300 ÷ 1.00×105 = 6.23 L
答え：6.23 L

標準 Q9〜Q18

標準 Q9

水上置換で集めたCO₂

炭酸水素ナトリウムNaHCO₃ 8.40 gに、 十分な塩酸を加えた。 NaHCO₃のモル質量は84.0 g/molである。

NaHCO3 + HCl → NaCl + H2O + CO2

発生したCO₂を298 Kで水上置換により集めた。 全圧は1.00×10⁵ Pa、水蒸気圧は3.2×10³ Paであった。 気体の体積を求めよ。

解答・解説
CO₂は0.100 molです。
pCO₂ = 1.00×105 − 3.2×103 = 9.68×104 Pa
V = 0.100 × 8.31×103 × 298 ÷ 9.68×104 = 2.56 L
答え：2.56 L
標準 Q10

過酸化水素の分解

過酸化水素H₂O₂ 0.200 molを完全に分解した。

2H2O2 → 2H2O + O2

生成したO₂を300 K、8.0×10⁴ Paに保った。 O₂の体積を求めよ。

解答・解説
O₂は0.100 mol生成します。
V = 0.100 × 8.31×103 × 300 ÷ 8.0×104 = 3.12 L
答え：3.12 L
標準 Q11

メタン改質の限界反応物

CH₄ 0.200 molとH₂O 0.300 molを反応させた。

CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2

反応後のCH₄、CO₂、H₂をそれぞれ求めよ。

解答・解説
H₂OがLimiting reagent（限界反応物）です。 反応したCH₄は0.300÷2＝0.150 molです。
CH4残量 = 0.200 − 0.150 = 0.050 mol
CO2 = 0.150 mol
H2 = 0.150 × 4 = 0.600 mol
標準 Q12

未反応メタンを含む混合気体

CH₄ 0.200 molとH₂O 0.300 molを、次の式に従って反応させた。

CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2

反応後の気体はCH₄ 0.050 mol、CO₂ 0.150 mol、H₂ 0.600 molであった。 全圧が1.20×10⁵ Paのとき、各気体の分圧を求めよ。

解答・解説
総物質量は0.800 molです。
pH₂ = 0.600÷0.800×1.20×105 = 9.00×104 Pa
pCO₂ = 2.25×104 Pa
pCH₄ = 7.50×103 Pa
標準 Q13

CO₂の気液平衡

CO₂ 0.100 molを、273 K、気相体積10.0 Lの容器に入れ、 水4.0 Lと接触させて平衡にした。 CO₂は分圧1.0×10⁵ Paで水1.0 Lに0.080 mol溶ける。

平衡時のCO₂分圧、気相中のCO₂、水中のCO₂を求めよ。

解答・解説
0.100 = 10.0p ÷ RT + 0.080×4.0p ÷ 1.0×105
pCO₂ ≈ 1.31×104 Pa
ngas ≈ 0.0579 mol
naq ≈ 0.0421 mol
標準 Q14

炭酸カルシウム由来のCO₂を水洗浄

CaCO₃ 10.0 gに十分な塩酸を加え、 CO₂を完全に発生させた。 CaCO₃のモル質量は100 g/molである。

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2O + CO2

発生したCO₂を273 K、気相体積8.0 Lで水5.0 Lと平衡にした。 CO₂分圧と、水に溶けたCO₂を求めよ。

解答・解説
CO₂総量は0.100 molです。
pCO₂ ≈ 1.33×104 Pa
naq ≈ 0.0531 mol
標準 Q15

メタノール改質気体の洗浄

CH₃OH 0.100 molを十分な水蒸気と完全に反応させた。

CH3OH + H2O → CO2 + 3H2

生成気体を273 K、気相体積8.0 Lで水5.0 Lと平衡にした。 H₂分圧、CO₂分圧、全圧を求めよ。

解答・解説
pH₂ = 0.300RT ÷ 8.0 ≈ 8.51×104 Pa
pCO₂ ≈ 1.33×104 Pa
P ≈ 9.84×104 Pa
標準 Q16

エタノール改質気体の洗浄

C₂H₅OH 0.080 molを十分な水蒸気と完全に反応させた。

C2H5OH + 3H2O → 2CO2 + 6H2

生成気体を273 K、気相体積10.0 Lで水6.0 Lと平衡にした。 H₂分圧、CO₂分圧、全圧を求めよ。

解答・解説
H₂ 0.480 mol、CO₂ 0.160 molが生成します。
pH₂ ≈ 1.09×105 Pa
pCO₂ ≈ 1.74×104 Pa
P ≈ 1.26×105 Pa
標準 Q17

CO₂の溶解と水蒸気圧

NaHCO₃ 0.100 molに十分な塩酸を加え、 CO₂ 0.100 molを発生させた。

NaHCO3 + HCl → NaCl + H2O + CO2

298 K、気相体積6.0 L、水3.0 Lで平衡にした。 298 Kでは、CO₂は分圧1.0×10⁵ Paで水1.0 Lに0.034 mol溶ける。 水蒸気圧は3.2×10³ Paである。 CO₂分圧と全圧を求めよ。

解答・解説
pCO₂ ≈ 2.90×104 Pa
P = pCO₂ + pH₂O ≈ 3.22×104 Pa
標準 Q18

メタン改質後の未知気相体積

CH₄ 0.100 molを十分な水蒸気と完全に反応させた。

CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2

生成気体を273 Kで水5.0 Lと平衡にしたところ、 全圧は1.00×10⁵ Paとなった。 気相体積V、H₂分圧、CO₂分圧を求めよ。

解答・解説
H₂ 0.400 mol、CO₂ 0.100 molが生成します。
0.400RT ÷ V + 0.100 ÷ {V ÷ RT + 4.0×10−6} = 1.00×105
V ≈ 10.28 L
pH₂ ≈ 8.83×104 Pa
pCO₂ ≈ 1.17×104 Pa

発展 Q19〜Q26

発展 Q19

メタノール改質でH₂純度90%

CH₃OH 0.100 molを十分な水蒸気と完全に反応させた。

CH3OH + H2O → CO2 + 3H2

全圧1.00×10⁵ Paにおいて、 水洗浄後のH₂純度を90.0%にしたい。 必要な水量を求めよ。

解答・解説
pH₂ = 9.0×104 Pa
pCO₂ = 1.0×104 Pa
気相CO₂は0.0333 mol、溶かすCO₂は0.0667 molです。 この分圧では水1 Lに0.0080 mol溶けます。
L = 0.0667 ÷ 0.0080 = 8.33 L
答え：8.33 L
発展 Q20

メタン改質でH₂純度95%

CH₄ 0.100 molを十分な水蒸気と完全に反応させた。

CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2

全圧1.00×10⁵ Paにおいて、 水洗浄後のH₂純度を95.0%にしたい。 必要な水量を求めよ。

解答・解説
H₂は0.400 mol生成します。
pH₂ = 9.5×104 Pa
pCO₂ = 5.0×103 Pa
気相CO₂は約0.0211 mol、溶かすCO₂は約0.0789 molです。 この分圧では水1 Lに0.0040 mol溶けます。
L = 0.0789 ÷ 0.0040 ≈ 19.7 L
答え：約19.7 L
発展 Q21

水10 Lを1回か、水5 Lを2回か

CO₂ 0.100 molを273 K、気相体積8.0 Lで水洗浄する。 次の二つを比較せよ。

① 水10.0 Lで1回洗浄する。
② 水5.0 Lで洗浄後に水を除去し、新しい水5.0 Lで再度洗浄する。

最終的に気相中へ残るCO₂が少ないのはどちらか。

解答・解説
水10 Lを1回： 約0.0306 mol
水5 Lを2回： 約0.0220 mol
答え：水5.0 Lで2回洗浄する方が有効
発展 Q22

必要な洗浄回数

CO₂ 0.100 molを273 K、気相体積8.0 Lで、 毎回新しい水5.0 Lを用いて洗浄する。 各回の後に水は完全に除去する。

気相中のCO₂を0.0050 mol未満にするための、 最小洗浄回数を求めよ。

解答・解説
1回ごとの残存割合は約0.4685です。
3回後：約0.0103 mol
4回後：約0.00482 mol
答え：4回
発展 Q23

溶解度を実験値から求める

CO₂ 0.120 molを273 K、気相体積5.0 Lで水4.0 Lと平衡にした。 平衡時のCO₂分圧は2.0×10⁴ Paであった。

CO₂分圧1.0×10⁵ Paにおいて、 水1.0 Lに溶けるCO₂の物質量を求めよ。

解答・解説
気相CO₂は約0.0441 mol、 水中CO₂は約0.0759 molです。
s0 = 0.0759 ÷ 4.0 × 1.0×105 ÷ 2.0×104 ≈ 0.0949 mol/L
答え：約0.0949 mol/L
発展 Q24

初めのCO₂量を逆算

ある量のCO₂を273 K、気相体積7.0 Lで、 水6.0 Lと平衡にした。 平衡時のCO₂分圧は1.5×10⁴ Paであった。

初めに存在したCO₂の総物質量を求めよ。

解答・解説
ngas = pV ÷ RT ≈ 0.0463 mol
naq = 0.080×6.0×0.15 = 0.0720 mol
n0 = 0.0463 + 0.0720 = 0.118 mol
答え：約0.118 mol
発展 Q25

水性ガスシフト反応の反応進行度

CO 0.300 molを、十分な水蒸気と反応させた。

CO + H2O → CO2 + H2

反応後の気体を273 K、気相体積10.0 Lで水5.0 Lと平衡にした。 H₂分圧が4.0×10⁴ Paであった。 Reaction extent（反応進行度）、未反応COの物質量、 CO分圧、CO₂分圧を求めよ。

解答・解説
H₂の物質量がそのまま反応進行度です。
ξ = pH₂V ÷ RT ≈ 0.176 mol
n(CO) = 0.300 − 0.176 = 0.124 mol
pCO ≈ 2.81×104 Pa
pCO₂ ≈ 2.10×104 Pa
発展 Q26

温度によるCO₂分圧の違い

CO₂ 0.100 molを、気相体積8.0 L、水5.0 Lで平衡にする。

273 Kでは、分圧1.0×10⁵ Paで水1.0 Lに0.080 mol溶ける。
298 Kでは、分圧1.0×10⁵ Paで水1.0 Lに0.034 mol溶ける。

それぞれの温度でのCO₂分圧を求め、比較せよ。

解答・解説
273 K： pCO₂ ≈ 1.33×104 Pa
298 K： pCO₂ ≈ 2.03×104 Pa
298 Kでは溶解度が小さいため、より多くのCO₂が気相へ残ります。

挑戦 Q27〜Q30

挑戦 Q27

プロパンの燃焼とCO₂洗浄

プロパンC₃H₈ 0.100 molとO₂ 0.600 molを完全燃焼させた。

C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O

298 Kまで冷却して生成水をすべて凝縮させた後、 気体を気相体積10.0 Lで水10.0 Lと平衡にした。 298 KでのCO₂溶解度は、 分圧1.0×10⁵ Paで水1.0 Lに0.034 molである。

O₂分圧、CO₂分圧、全圧を求めよ。

解答・解説
O₂は0.100 mol残り、CO₂は0.300 mol生成します。
pO₂ ≈ 2.48×104 Pa
pCO₂ ≈ 4.03×104 Pa
P ≈ 6.51×104 Pa
挑戦 Q28

全圧から反応進行度を求める

CO 0.200 molを、十分な水蒸気と反応させた。

CO + H2O → CO2 + H2

反応後の気体を273 K、気相体積6.0 Lで水4.0 Lと平衡にしたところ、 全圧は8.00×10⁴ Paであった。 反応進行度と各気体の分圧を求めよ。

解答・解説
COとH₂の気相総量は、反応前後で合計0.200 molです。 したがって、その分圧和は7.56×10⁴ Paです。
pCO₂ = 8.00×104 − 7.56×104 = 4.38×103 Pa
CO₂の物質収支から、
ξ ≈ 0.0256 mol
pH₂ ≈ 9.68×103 Pa
pCO ≈ 6.59×104 Pa
pCO₂ ≈ 4.38×103 Pa
挑戦 Q29

燃焼生成物から未知炭化水素を決定

未知の炭化水素CxHy 0.0500 molを、 十分なO₂で完全燃焼させた。

CxHy + (x + y/4)O2 → xCO2 + (y/2)H2O

生じたCO₂の総量は0.150 mol、 生じたH₂Oは0.200 molであった。 x、yおよび炭化水素の分子式を求めよ。

解答・解説
0.0500x = 0.150
x = 3
0.0500 × y/2 = 0.200
y = 8
答え：x＝3、y＝8、C₃H₈
挑戦 Q30

炭酸塩混合物の組成分析

CaCO₃とNaHCO₃からなる混合物10.00 gに、 十分な塩酸を加えて完全に反応させた。

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + H2O + CO2
NaHCO3 + HCl → NaCl + H2O + CO2

発生したCO₂を273 K、気相体積8.0 Lで水5.0 Lと平衡にしたところ、 CO₂分圧は1.50×10⁴ Paであった。

CaCO₃とNaHCO₃のモル質量を、それぞれ100 g/mol、84.0 g/molとする。 混合物中の各成分の物質量と質量を求めよ。

解答・解説
気相と水中を合わせたCO₂総量は、
n(CO2) = pV ÷ RT + 0.080×5.0×0.15 ≈ 0.1129 mol
CaCO₃をx mol、NaHCO₃をy molとします。
x + y = 0.1129
100x + 84.0y = 10.00
x ≈ 0.0323 mol
y ≈ 0.0806 mol
m(CaCO3) ≈ 3.23 g
m(NaHCO3) ≈ 6.77 g
答え：CaCO₃ 約0.0323 mol・3.23 g、NaHCO₃ 約0.0806 mol・6.77 g
study/化学/化学問題 化学(問題)