物質の状態と気体（知識）の問題
亜鉛に希硫酸を加えて発生させた水素を、水上置換でメスシリンダーに捕集した。十分に時間がたってから、メスシリンダー内の水面と外の水面の高さを一致させた。このとき、メスシリンダー内の気体は水素と水蒸気の混合気体であり、水蒸気は水と気液平衡にある（飽和している）ものとする。メスシリンダー内の気体について述べた記述として正しいものを、次のア〜オから 1 つ選べ。ただし、気体はすべて理想気体とみなし、水素の水への溶解は無視する。
- ア 水素の分圧は、大気圧と等しい。
- イ 水蒸気の分圧は、そのときの温度における水の飽和蒸気圧に等しく、捕集した水素の量によらない。
- ウ 水温を上げても、水蒸気の分圧は変わらない。
- エ 水素と水蒸気の物質量の比は、それぞれの分子量の比に等しい。
- オ 気体中の水素のモル分率は、水素の分圧を水の飽和蒸気圧で割った値に等しい。
この問題で使うもの
- 混合気体中の蒸気と水上置換（説明と入口の問題）
- 分圧の法則とモル分率（説明と入口の問題）
- 気液平衡と蒸気圧（説明と入口の問題）
この問題を解けるようになるまで（28 技能）
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ヒント
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ヒント 1
水上置換で集めた気体は水素と水蒸気の混合気体であることと、ドルトンの分圧の法則・飽和蒸気圧の性質を使う。
ヒント 2
内外の水面をそろえると「全圧＝大気圧」となり、全圧は分圧の和である。気液平衡にある水蒸気の分圧は温度だけで決まる。
ヒント 3
全圧・分圧・モル分率・物質量の比の関係を確かめると、ア・エ・オは誤りとわかる。残りの 2 つのうち、飽和蒸気圧と温度の関係に注目する。
答えと解説
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イ
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解説を読む
メスシリンダー内外の水面の高さを一致させたので、メスシリンダー内の気体の全圧は大気圧と等しい。ドルトンの分圧の法則より、全圧は各成分気体の分圧の和なので
が成り立つ。また、水蒸気は水と気液平衡にあるので、その分圧はその温度での水の飽和蒸気圧に等しい。
- ア 誤り。全圧（大気圧）は水素の分圧と水蒸気の分圧の和なので、水素の分圧は大気圧から水の飽和蒸気圧を引いた値であり、大気圧より小さい。
- イ 正しい。気液平衡にある水蒸気の分圧（飽和蒸気圧）は温度だけで決まり、ほかの気体（水素）の量や体積によらない。
- ウ 誤り。水の飽和蒸気圧は温度が高いほど大きいので、水温を上げると水蒸気の分圧は大きくなる。
- エ 誤り。同じ温度・同じ体積の中では、各成分気体の物質量の比は分圧の比に等しい。分子量の比ではない。
- オ 誤り。成分気体のモル分率は、その分圧を全圧で割った値に等しい。水素のモル分率は であり、飽和蒸気圧で割るのではない。
よって正しいものはイである。
別解
内外の水面を一致させると、メスシリンダー内の全圧は大気圧 に等しい。水蒸気は飽和しているので分圧は温度で決まる飽和蒸気圧 であり、ドルトンの分圧の法則より 。
ア: 水素の分圧は大気圧から水蒸気圧を引いた値で、大気圧より小さい。誤り。
イ: 気液平衡にある水蒸気の分圧は、その温度の飽和蒸気圧に等しく、水素の量（気体の体積）によらない。正しい。
ウ: 水温を上げると飽和蒸気圧が大きくなるので水蒸気の分圧は大きくなる。誤り。
エ: 物質量の比は分圧の比（同温・同体積）に等しく、分子量の比ではない。誤り。
オ: 水素のモル分率は （分圧÷全圧）であり、飽和蒸気圧で割った値ではない。誤り。
よって正しいのはイ。