フロン（A）とメタン（D） ですね。
フロンはオゾン層の破壊だけでなく、地球温暖化も引き起こしているのです。
京都議定書において削減対象となっている温室効果ガスは、
二酸化炭素（CO2）、メタン（CH4）、一酸化二窒素（N2O）、代替フロン、六フッ化硫黄（SF6）です。
他に温室効果ガスとしては、水蒸気（H2O） なんかも有名ですね。
イ オゾン（O3）は酸素の同素体で、酸素中で無声放電を行うか、酸素に強い紫外線（G）を当てると生成します。
成層圏において、オゾンは主に3200Å以下の紫外線を吸収して分解し、もとの酸素分子に戻ります。
この反応によって、生物にとって有害な3200Å以下の紫外線が地表に届くのを防いでいるのです。
ところが、近年、フロン（A）の分解によって生じる塩素ラジカル（K）により、
オゾン層の破壊が起きています。
フロンは、正式には、クロロフルオロカーボン（クロロ＝Cl、フルオロ＝F、カーボン＝C）と呼ばれ、
炭化水素の水素をフッ素や塩素で置換した化合物の総称です。
フロンは化学的に非常に安定で、容易に分解せず、約10年かかって成層圏まで拡散していきます。
フロンは成層圏で強い太陽の紫外線を受けて分解し、塩素ラジカル（Cl・）を生じます。
塩素ラジカルとは、不対電子を持つ原子、要するに、塩素原子そのものです。
この塩素ラジカルがオゾンをぶっ壊していくわけですが、
厄介なことに、この塩素ラジカルは、オゾンを分解しながら、自らも再生するのです。
Cl・ + O3 → CｌO・ + O2
CｌO・ + O・ → Cl・ + O2
この辺の詳しい反応については、化学グランプリ2006年度の第1問の問題にあるので、
そちらを参照してください。（いい加減な48K部長であった。）
ウ 酸性雨の原因と言えば、ソックス、ノックスですね。
つまり、硫黄酸化物（SOｘ）、窒素酸化物（NOｘ）（H）です。
これらは、地上到達前の雨水と酸素と反応して、
それぞれ硫酸（H2SO4）と硝酸（HNO3）（N）を生じます。
私たちは、雨の日には、希硫酸と希硝酸の溶液を被ってるわけなんですね。
そりゃ、ブロンズ像だって溶けてまうわ。
|
問2 （ア） 室温（20 ℃）での、1mol の液体の水（H2O）の体積は、
原子量として、H = 1.0 、 O = 16 が与えられているので、
18g と分かりますね。
ここで、水の密度は室温付近では、ほぼ 1g = 1cm3 なので、
その 1mol の液体の水の体積は、18g = 18cm3 = 18mL となります。
有効数字2桁で答えてますね。
（イ） 室温（20 ℃）、1 気圧での、1mol の気体の水（H2O）の体積は、
273 K, 1.013×105 Pa (= 1 atm)での気体 1 mol の体積 = 22.4 L
という条件が与えられているので、22.4L。
有効数字2桁なので、22L …というのは間違いですね。
そうです！ 温度の条件を無視していますね。
圧力一定のもとで、気体の体積V は絶対温度T に比例する。
V ∝ T
V1/T1 = V2/T2
という、シャルルの法則を適用しましょう！
室温 20℃（= 293K）での体積をV2とすると、
22.4 / 273 = V2 / 293
∴ V2 = 24.04… ≒ 24（L） となります。
（ウ） 1mol あたり、液体は18mL、気体は24L（= 24000mL）。
つまり、気体状態での密度の方が、1000（=103）倍大きい、
すなわち、3桁程度大きいのです。
問3 物理、特に力学の問題ですね。
力学においては、まず、物体に働く力を書きだすのが基本です！
では、図1に書き込んでみましょう！
その上で注目するのは、封入された空気と鉤つきピストンとの境界面ですね。
 |
← このような図で表せますね。 青字は、大気圧による力。 緑字は、封入された空気の圧力による力。 赤字は、鉤付きピストンとおもりに働く重力の和です。 おもりに働く重力が、作用線上からズレてますが、あまり気になさらないよう。 |
さて、そもそも、圧力とは、単位面積当たりに働く力のことですから、
P［Pa］ = F［N］ / S［m2］ で表せます。
ですから、F［N］ = P［Pa］× S［m2］
となります。
求めたい封入された空気の圧力をP200［Pa］とおくと、
大気圧による力は、1.00×105（Pa）×1.00×10-4（m2） = 10.0［N］
封入された空気の圧力による力は、P200［Pa］×1.00×10-4（m2） = 1.00×10-4×P200［N］
鉤付きピストンとおもりに働く重力の和は、（100+200）×10-3（kg）×9.81（m s-2） = 2.943（N）
∴ 力のつりあいの式より、
10.0 = 1.00×10-4×P200 + 2.943
これを解くと、P200 = 70570 （Pa）となります。
これを有効数字3桁にして、7.06×104 Pa、これが答えです。
＜別解＞ 圧力のつりあいの式を作って解きます。
| |
青字は、大気圧。 緑字は、封入された空気の圧力。 赤字は、鉤付きピストンとおもりに働く重力の和による圧力。 のように考えて解く方法です。 |
求めたい封入された空気の圧力をP200［Pa］とおくと、
大気圧は、1.00×105［Pa］
封入された空気の圧力による力は、P200［Pa］
鉤付きピストンとおもりに働く重力の和による圧力は、
（100+200）×10-3（kg）×9.81（m s-2） / 1.00×10-4（m2） = 29430（Pa）
∴ 圧力のつりあいの式より、
1.00×105 = P200 + 29430
これを解くと、やはり、P200 = 70570 （Pa）となります。（そりゃそうですが）
これを有効数字3桁にして、7.06×104 Pa、これが答えです。
こちらの方が、若干計算は簡単に済みます。
問4 おもりを400g にした場合の封入された空気の圧力も同様に求めます。
今回は、圧力のつりあいの式から解いてみます。
求めたい封入された空気の圧力をP400［Pa］とおくと、
大気圧は、1.00×105［Pa］
封入された空気の圧力による力は、P400［Pa］
鉤付きピストンとおもりに働く重力の和による圧力は、
（100+400）×10-3（kg）×9.81（m s-2） / 1.00×10-4（m2） = 49050（Pa）
∴ 圧力のつりあいの式より、
1.00×105 = P400 + 49050
これを解くと、P400 = 50950 （Pa）となります。
とりあえず有効数字3桁にすると、5.10×104 Paになります。
そして、PとVの関係を調べます。
|
おもりの重さ |
P［Pa］ |
V［cm3］ |
|
200g |
7.06×104 |
1.50×101 |
|
400g |
5.10×104 |
2.08×101 |
せっかく、選択肢が与えられているので、実際に計算してみた方が早いでしょうね。
電卓もあることですし。（化学グランプリに参加すると、無料で電卓が貰えます！）
以降、電卓が貰えるぜ！ ということを別の大問でも繰り返すことがございますが、ご了承ください。
さて、計算してみますと、
|
おもりの重さ |
P［Pa］ |
V［cm3］ |
PV |
P/V |
V/P |
P+V |
|
200g |
7.06×104 |
1.50×101 |
1.059×106 |
4.706×103 |
2.124×10-4 |
7.061×104 |
|
400g |
5.10×104 |
2.08×101 |
1.060×106 |
2.451×103 |
4.078×10-4 |
5.102×104 |
（※小数第4位切り捨て）
最初のPVを計算した時点で、もう答えが出ましたね。
答えを最初に配置してくれるなんて、なんて親切なんでしょう！
というわけで、答えは、PV（ア）です。
（b）は、単位もつけ、有効数字3桁で、1.06×106 Pa cm3
俺はセンチなんて許さないゼ！ という人は、
1m3 = 1000000 cm3 = 106 cm3 より、
1.06 Pa m3 としてもよいでしょう。
ところで、［Pa］ = ［N/m2］ と表すことができましたね！
ということは、［Pa⋅m3］=［N⋅m3/m2］=［N⋅m］となります。
よって、 1.06 N m と表すこともできます！
そして、さらにさらに、
［N］=［kg⋅m/s2］ と変換することができます！
ということは、［N⋅m］=［kg⋅m⋅m/s2］=［kg⋅m2/s2］となりますので、
よって、 1.06 kg m2 s-2 とするのもOKでしょう。
徹底的に分解されましたね。
さてさて、そもそも、この 温度一定の条件でPVが一定になる という結論、
かの ボイルの法則 のことだったんですね！
|
|
|
|
