第9章気体

Key Concepts and Summary重要概念とまとめ

Gases exert pressure, which is force per unit area. The pressure of a gas may be expressed in the SI unit of pascal or kilopascal, as well as in many other units including torr, atmosphere, and bar. Atmospheric pressure is measured using a barometer; other gas pressures can be measured using one of several types of manometers.

気体は圧力、すなわち単位面積あたりの力を及ぼす。気体の圧力は、SI単位のパスカルやキロパスカルのほか、トル、気圧、バールなどの多くの単位で表せる。大気圧は気圧計で測定し、その他の気体圧力はいくつかの種類のマノメーターで測定できる。

Key Equations重要な式

P = \frac{F}{A}

p = hρg

Chemistry End of Chapter Exercises章末演習

Exercises 1–17練習問題 1–17

Exercise 1問題 1

Why are sharp knives more effective than dull knives? (Hint: Think about the definition of pressure.)

英語のヒント

鋭いナイフが鈍いナイフよりよく切れるのはなぜか。（ヒント：圧力の定義を考えよう。）

Solution解き方

The cutting edge of a knife that has been sharpened has a smaller surface area than a dull knife. Since pressure is force per unit area, a sharp knife will exert a higher pressure with the same amount of force and cut through material more effectively.

研いだナイフの刃先は、鈍いナイフより表面積が小さい。圧力は単位面積あたりの力なので、鋭いナイフは同じ力でも高い圧力を及ぼし、物をより効果的に切ることができる。

Exercise 2問題 2

Why do some small bridges have weight limits that depend on how many wheels or axles the crossing vehicle has?

英語のヒント

小さな橋の一部で、通行車両の車輪や車軸の数に応じた重量制限が設けられているのはなぜか。

Exercise 3問題 3

Why should you roll or belly-crawl rather than walk across a thinly-frozen pond?

英語のヒント

薄く凍った池を渡る際、歩くよりも転がるか腹ばいで進むべきなのはなぜか。

Solution解き方

Lying down distributes your weight over a larger surface area, exerting less pressure on the ice compared to standing up. If you exert less pressure, you are less likely to break through thin ice.

横になると体重がより広い面積に分散するため、立ったときより氷に及ぼす圧力が小さくなる。圧力が小さければ、薄い氷を踏み抜く可能性も低くなる。

Exercise 4問題 4

A typical barometric pressure in Redding, California, is about 750 mm Hg. Calculate this pressure in atm and kPa.

カリフォルニア州レディングの典型的な気圧は約750 mm Hgである。この圧力をatmとkPaで計算しなさい。

Exercise 5問題 5

A typical barometric pressure in Denver, Colorado, is 615 mm Hg. What is this pressure in atmospheres and kilopascals?

コロラド州デンバーの典型的な気圧は615 mm Hgである。気圧とキロパスカルではいくらか。

Solution解き方

0.809 atm; 82.0 kPa

0.809 atm、82.0 kPa。

Exercise 6問題 6

A typical barometric pressure in Kansas City is 740 torr. What is this pressure in atmospheres, in millimeters of mercury, and in kilopascals?

カンザスシティの典型的な気圧は740 torrである。この圧力は、気圧、水銀柱ミリメートル、キロパスカルでそれぞれいくらか。

Exercise 7問題 7

Canadian tire pressure gauges are marked in units of kilopascals. What reading on such a gauge corresponds to 32 psi?

カナダのタイヤ用圧力計はキロパスカルで目盛られている。32 psiに対応する読みはいくらか。

Solution解き方

2.2

\times

10² kPa

2.2

\times

10² kPa

Exercise 8問題 8

During the Viking landings on Mars, the atmospheric pressure was determined to be on the average about 6.50 millibars (1 bar = 0.987 atm). What is that pressure in torr and kPa?

バイキング探査機の火星着陸時、大気圧は平均約6.50ミリバールと測定された（1 bar = 0.987 atm）。この圧力はtorrとkPaでそれぞれいくらか。

Exercise 9問題 9

The pressure of the atmosphere on the surface of the planet Venus is about 88.8 atm. Compare that pressure in psi to the normal pressure on earth at sea level in psi.

金星表面の大気圧は約88.8 atmである。この圧力と、地球の海面での通常の大気圧を、psiで比較しなさい。

Solution解き方

Earth: 14.7 lb in^–2; Venus: 1.30 × 10³ lb in⁻²

地球：14.7 lb in^–2。金星：1.30 × 10³ lb in⁻²。

Exercise 10問題 10

A medical laboratory catalog describes the pressure in a cylinder of a gas as 14.82 MPa. What is the pressure of this gas in atmospheres and torr?

医療検査室のカタログに、ガスボンベ内の圧力が14.82 MPaと書かれている。この気体の圧力は、気圧とトルでそれぞれいくらか。

Exercise 11問題 11

Consider this scenario and answer the following questions: On a mid-August day in the northeastern United States, the following information appeared in the local newspaper: atmospheric pressure at sea level 29.97 in. Hg, 1013.9 mbar.

次の状況を考え、設問に答えなさい。米国北東部の8月中旬のある日、地元紙に「海面気圧29.97 in. Hg、1013.9 mbar」という情報が掲載された。

(a) What was the pressure in kPa?

（a）圧力はkPaでいくらだったか。

(b) The pressure near the seacoast in the northeastern United States is usually reported near 30.0 in. Hg. During a hurricane, the pressure may fall to near 28.0 in. Hg. Calculate the drop in pressure in torr.

（b）米国北東部の海岸近くの気圧は、通常30.0 in. Hg前後と報告される。ハリケーンの際には28.0 in. Hg前後まで低下することがある。この気圧低下をトルで計算しなさい。

Solution解き方

(a) 101.5 kPa; (b) 51 torr drop

（a）101.5 kPa。（b）51 torrの低下。

Exercise 12問題 12

Why is it necessary to use a nonvolatile liquid in a barometer or manometer?

気圧計やマノメーターに不揮発性液体を使う必要があるのはなぜか。

Exercise 13問題 13

The pressure of a sample of gas is measured at sea level with a closed-end manometer. The liquid in the manometer is mercury. Determine the pressure of the gas in:

海面で、閉管式マノメーターを使って気体試料の圧力を測定する。管内の液体は水銀である。圧力を次の単位で求めなさい。

(a) torr

（a）torr

(b) Pa

（b）Pa

（c）bar

閉管式マノメーターの図。左上の「気体」と記された球形容器が、弁を介してU字管につながる。右上の端には「閉端」とある。容器と続く管の一部は桃色、U字管下部は灰色で、灰色の領域は右が左より高い。高低差26.4 cmを水平線と矢印で示す。

OpenStax, Rice University; Chemistry 2e. · CC BY 4.0 · Source出典

Solution解き方

(a) 264 torr; (b) 35,200 Pa; (c) 0.352 bar

（a）264 torr。（b）35,200 Pa。（c）0.352 bar。

Exercise 14問題 14

The pressure of a sample of gas is measured with an open-end manometer, partially shown to the right. The liquid in the manometer is mercury. Assuming atmospheric pressure is 29.92 in. Hg, determine the pressure of the gas in:

右に一部を示した開管式マノメーターで、気体試料の圧力を測定する。管内の液体は水銀である。大気圧を29.92 in. Hgとして、気体の圧力を次の単位で求めなさい。

(a) torr

（a）torr

(b) Pa

（b）Pa

（c）bar

開管式マノメーターの図。左上の「気体」と記された球形容器が、弁を介してU字管につながる。右上の端には「開端」とある。容器と続く管の一部は桃色、U字管下部は灰色で、灰色の領域は左が右より高い。高低差6.00 in.を水平線と矢印で示す。

OpenStax, Rice University; Chemistry 2e. · CC BY 4.0 · Source出典

Exercise 15問題 15

The pressure of a sample of gas is measured at sea level with an open-end mercury manometer. Assuming atmospheric pressure is 760.0 mm Hg, determine the pressure of the gas in:

海面で、開管式水銀マノメーターを使って気体試料の圧力を測定する。大気圧を760.0 mm Hgとして、気体の圧力を次の単位で求めなさい。

(a) mm Hg

（a）mm Hg

(b) atm

（b）atm

（c）kPa

開管式マノメーターの図。左上の「気体」と記された球形容器が、弁を介してU字管につながる。右上の端には「開端」とある。容器と続く管の一部は桃色、U字管下部は灰色で、灰色の領域は左が右より高い。高低差13.7 cmを水平線と矢印で示す。

OpenStax, Rice University; Chemistry 2e. · CC BY 4.0 · Source出典

Solution解き方

(a) 623 mm Hg; (b) 0.820 atm; (c) 83.1 kPa

（a）623 mm Hg。（b）0.820 atm。（c）83.1 kPa。

Exercise 16問題 16

The pressure of a sample of gas is measured at sea level with an open-end mercury manometer. Assuming atmospheric pressure is 760 mm Hg, determine the pressure of the gas in:

海面で、開管式水銀マノメーターを使って気体試料の圧力を測定する。大気圧を760 mm Hgとして、気体の圧力を次の単位で求めなさい。

(a) mm Hg

（a）mm Hg

(b) atm

（b）atm

（c）kPa

開管式マノメーターの図。左上の「気体」と記された球形容器が、弁を介してU字管につながる。右上の端には「開端」とある。容器と続く管の一部は桃色、U字管下部は灰色で、灰色の領域は右が左より高い。高低差26.4 cmを水平線と矢印で示す。

OpenStax, Rice University; Chemistry 2e. · CC BY 4.0 · Source出典

Exercise 17問題 17

How would the use of a volatile liquid affect the measurement of a gas using open-ended manometers vs. closed-end manometers?

揮発性液体を使うと、開管式と閉管式のマノメーターによる気体の測定に、それぞれどのような影響が出るか。

Solution解き方

With a closed-end manometer, no change would be observed, since the vaporized liquid would contribute equal, opposing pressures in both arms of the manometer tube. However, with an open-ended manometer, a higher pressure reading of the gas would be obtained than expected, since P_gas = P_atm + P_{vol liquid}.

閉管式マノメーターでは、気化した液体が管の両側で等しく逆向きの圧力を及ぼすため、変化は見られない。しかし開管式マノメーターでは、P_gas = P_atm + P_{vol liquid}であるため、予想よりも高い気体圧力の読みが得られる。

atmosphere (atm)

気圧（atm）

unit of pressure; 1 atm = 101,325 Pa

圧力の単位。1 atm = 101,325 Pa。

bar

バール

(bar or b) unit of pressure; 1 bar = 100,000 Pa

圧力の単位（barまたはb）。1 bar = 100,000 Pa。

barometer

気圧計

device used to measure atmospheric pressure

大気圧を測定する装置。

hydrostatic pressure

静水圧

pressure exerted by a fluid due to gravity

重力のために流体が及ぼす圧力。

manometer

マノメーター

device used to measure the pressure of a gas trapped in a container

容器に閉じ込められた気体の圧力を測定する装置。

pascal (Pa)

パスカル（Pa）

SI unit of pressure; 1 Pa = 1 N/m²

圧力のSI単位。1 Pa = 1 N/m²。

pounds per square inch (psi)

ポンド毎平方インチ（psi）

unit of pressure common in the US

米国でよく使われる圧力の単位。

pressure

圧力

force exerted per unit area

単位面積あたりに及ぼされる力。

torr

トル

unit of pressure;

1 torr = \frac{1}{760} atm

圧力の単位。

1 torr = \frac{1}{760} atm