第9章気体

Chemical Stoichiometry and Gases化学量論と気体

Chemical stoichiometry describes the quantitative relationships between reactants and products in chemical reactions.

化学量論は、化学反応における反応物と生成物の量的関係を記述する。

We have previously measured quantities of reactants and products using masses for solids and volumes in conjunction with the molarity for solutions; now we can also use gas volumes to indicate quantities. If we know the volume, pressure, and temperature of a gas, we can use the ideal gas equation to calculate how many moles of the gas are present. If we know how many moles of a gas are involved, we can calculate the volume of a gas at any temperature and pressure.

英語のヒント

これまでは、反応物と生成物の量を、固体では質量によって、溶液では体積とモル濃度を組み合わせて測ってきた。今後は気体の体積によっても量を表せる。気体の体積、圧力、温度がわかれば、理想気体の状態方程式を用いて存在する気体のモル数を計算できる。関わる気体のモル数がわかれば、どのような温度と圧力でも、その気体の体積を計算できる。

Avogadro’s Law Revisitedアボガドロの法則を再び考える

Sometimes we can take advantage of a simplifying feature of the stoichiometry of gases that solids and solutions do not exhibit: All gases that show ideal behavior contain the same number of molecules in the same volume (at the same temperature and pressure). Thus, the ratios of volumes of gases involved in a chemical reaction are given by the coefficients in the equation for the reaction, provided that the gas volumes are measured at the same temperature and pressure.

英語のヒント

気体の化学量論には、固体や溶液にはない、計算を簡単にする性質があり、それを利用できる場合がある。理想気体として振る舞うすべての気体は、同じ温度と圧力で同じ体積を取れば、同じ数の分子を含んでいる。したがって、気体の体積を同じ温度と圧力で測るという条件のもとでは、化学反応に関わる気体の体積比は、反応式の係数で与えられる。

We can extend Avogadro’s law (that the volume of a gas is directly proportional to the number of moles of the gas) to chemical reactions with gases: Gases combine, or react, in definite and simple proportions by volume, provided that all gas volumes are measured at the same temperature and pressure. For example, since nitrogen and hydrogen gases react to produce ammonia gas according to

N_{2} (g) + 3 H_{2} (g) ⟶ 2 {NH}_{3} (g),

a given volume of nitrogen gas reacts with three times that volume of hydrogen gas to produce two times that volume of ammonia gas, if pressure and temperature remain constant.

英語のヒント

アボガドロの法則（気体の体積は、その気体のモル数に正比例する）を、気体を含む化学反応に拡張できる。すべての気体の体積を同じ温度と圧力で測るならば、気体は一定の簡単な体積比で結合、つまり反応する。例えば、窒素気体と水素気体は

N_{2} (g) + 3 H_{2} (g) ⟶ 2 {NH}_{3} (g),

に従って反応してアンモニア気体を生じるので、圧力と温度が一定に保たれていれば、ある体積の窒素気体はその3倍の体積の水素気体と反応し、もとの窒素の2倍の体積のアンモニア気体を生じる。

The explanation for this is illustrated in Figure 9.23. According to Avogadro’s law, equal volumes of gaseous N₂, H₂, and NH₃, at the same temperature and pressure, contain the same number of molecules. Because one molecule of N₂ reacts with three molecules of H₂ to produce two molecules of NH₃, the volume of H₂ required is three times the volume of N₂, and the volume of NH₃ produced is two times the volume of N₂.

このことを図9.23で説明する。アボガドロの法則によれば、同じ温度と圧力で等しい体積のN₂、H₂、NH₃の各気体には、同じ数の分子が含まれる。N₂の1分子はH₂の3分子と反応してNH₃の2分子を生じるので、必要なH₂の体積はN₂の体積の3倍であり、生成するNH₃の体積はN₂の体積の2倍である。

図の下部に化学式で書かれた反応が、模型で示されている。反応式はN₂ + 3H₂から右向きの矢印を経てNH₃となる。化学式のすぐ上には空間充填模型がある。NH₂の上には結合した青い球2個、3H₂の上には少し小さい白い球2個ずつを結合した組が3組ある。NH₃の上には、中央の青い球1個に少し小さい白い球3個が結合した分子が2個示されている。図の上部では風船で反応を示す。左に「N₂」と表示された水色の風船があり、青い球2個が結合した空間充填模型が1個入っている。その次にプラス記号があり、「H₂」と表示された灰色の風船が3個並ぶ。これらの各風船にも、白い球2個が結合した空間充填模型が1個ずつ入っている。白い球は青い球より少し小さい。続く右向きの矢印は、各々「2 NH₃」と表示された2個の薄緑色の風船を指す。それぞれの薄緑色の風船には、中央の青い球1個に少し小さい白い球3個が結合した空間充填模型が入っている。 — Figure 9.23図 9.23
One volume of N₂ combines with three volumes of H₂ to form two volumes of NH₃.
N₂の1体積はH₂の3体積と結合して、NH₃の2体積を生じる。

Example 9.17例題 9.17

Reaction of Gases気体の反応

Propane, C₃H₈(g), is used in gas grills to provide the heat for cooking. What volume of O₂(g) measured at 25 °C and 760 torr is required to react with 2.7 L of propane measured under the same conditions of temperature and pressure? Assume that the propane undergoes complete combustion.

英語のヒント

プロパンC₃H₈(g)はガスグリルで調理用の熱を供給する燃料として使われる。25 °C、760 torrで測定したO₂(g)は、同じ温度と圧力で測定した2.7 Lのプロパンとの反応に何L必要か。プロパンは完全燃焼するものとする。

Solution解法

The ratio of the volumes of C₃H₈ and O₂ will be equal to the ratio of their coefficients in the balanced equation for the reaction:

C₃H₈とO₂の体積比は、係数をそろえた反応式における両者の係数の比に等しい。

\begin{array}{l} C_{3} H_{8} (g) + 5 O_{2} (g) ⟶ 3 {CO}_{2} (g) + 4 H_{2} O (l) \\ 1 volume + 5 volumes 3 volumes + 4 volumes \end{array}

\begin{array}{l} C_{3} H_{8} (g) + 5 O_{2} (g) ⟶ 3 {CO}_{2} (g) + 4 H_{2} O (l) \\ 1体積 + 5体積 3体積 + 4体積 \end{array}

From the equation, we see that one volume of C₃H₈ will react with five volumes of O₂:

反応式から、C₃H₈の1体積がO₂の5体積と反応することがわかる。

2.7 L C_{3} H_{8} \times \frac{5 L O_{2}}{1 L C_{3} H_{8}} = 13.5 L O_{2}

A volume of 13.5 L of O₂ will be required to react with 2.7 L of C₃H₈.

2.7 LのC₃H₈を反応させるには、13.5 LのO₂が必要である。

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An acetylene tank for an oxyacetylene welding torch provides 9340 L of acetylene gas, C₂H₂, at 0 °C and 1 atm. How many tanks of oxygen, each providing 7.00

\times

10³ L of O₂ at 0 °C and 1 atm, will be required to burn the acetylene?

酸素アセチレン溶接トーチ用のアセチレンボンベ1本からは、0 °C、1 atmで9340 Lのアセチレン気体C₂H₂を取り出せる。酸素ボンベ1本から0 °C、1 atmで7.00

\times

10³ LのO₂を取り出せるとすると、このアセチレンを燃焼させるのに酸素ボンベは何本分必要か。

2 C_{2} H_{2} + 5 O_{2} ⟶ 4 {CO}_{2} + 2 H_{2} O

Example 9.18例題 9.18

Volumes of Reacting Gases反応する気体の体積

Ammonia is an important fertilizer and industrial chemical. Suppose that a volume of 683 billion cubic feet of gaseous ammonia, measured at 25 °C and 1 atm, was manufactured. What volume of H₂(g), measured under the same conditions, was required to prepare this amount of ammonia by reaction with N₂?

アンモニアは重要な肥料であり、工業薬品でもある。25 °C、1 atmで測定して6830億立方フィートのアンモニア気体を製造したとする。この量のアンモニアをN₂との反応で製造するには、同じ条件で測ったH₂(g)がどれだけの体積必要だったか。

N_{2} (g) + 3 H_{2} (g) ⟶ 2 {NH}_{3} (g)

Solution解法

Because equal volumes of H₂ and NH₃ contain equal numbers of molecules and each three molecules of H₂ that react produce two molecules of NH₃, the ratio of the volumes of H₂ and NH₃ will be equal to 3:2. Two volumes of NH₃, in this case in units of billion ft³, will be formed from three volumes of H₂:

等しい体積のH₂とNH₃には等しい数の分子が含まれ、H₂の3分子が反応するごとにNH₃の2分子が生じるので、H₂とNH₃の体積比は3：2になる。H₂の3体積からNH₃の2体積が生成する。ここでは体積を10億ft³の単位で扱う。

683 billion {ft}^{3} {NH}_{3} \times \frac{3 billion {ft}^{3} H_{2}}{2 billion {ft}^{3} {NH}_{3}} = 1.02 \times 10^{3} billion {ft}^{3} H_{2}

683 十億 {ft}^{3} {NH}_{3} \times \frac{3十億 {ft}^{3} H_{2}}{2 十億 {ft}^{3} {NH}_{3}} = 1.02 \times 10^{3} 十億 {ft}^{3} H_{2}

The manufacture of 683 billion ft³ of NH₃ required 1020 billion ft³ of H₂. (At 25 °C and 1 atm, this is the volume of a cube with an edge length of approximately 1.9 miles.)

6830億ft³のNH₃の製造には、1兆200億ft³のH₂が必要だった。（25 °C、1 atmでは、これは一辺約1.9マイルの立方体の体積にあたる。）

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What volume of O₂(g) measured at 25 °C and 760 torr is required to react with 17.0 L of ethylene, C₂H₄(g), measured under the same conditions of temperature and pressure? The products are CO₂ and water vapor.

25 °C、760 torrで測定したO₂(g)は、同じ温度と圧力で測定した17.0 LのエチレンC₂H₄(g)との反応に何L必要か。生成物はCO₂と水蒸気である。

Example 9.19例題 9.19

Volume of Gaseous Product気体生成物の体積

What volume of hydrogen at 27 °C and 723 torr may be prepared by the reaction of 8.88 g of gallium with an excess of hydrochloric acid?

8.88 gのガリウムと過剰の塩酸との反応によって得られる水素の体積は、27 °C、723 torrでいくらか。

2 Ga (s) + 6 HCl (a q) ⟶ 2 {GaCl}_{3} (a q) + 3 H_{2} (g)

Solution解法

Convert the provided mass of the limiting reactant, Ga, to moles of hydrogen produced:

限定反応物Gaの与えられた質量を、生成する水素のモル数に換算する。

8.88 g Ga \times \frac{1 mol Ga}{69.723 g Ga} \times \frac{3 mol H_{2}}{2 mol Ga} = 0.191 {mol H}_{2}

Convert the provided temperature and pressure values to appropriate units (K and atm, respectively), and then use the molar amount of hydrogen gas and the ideal gas equation to calculate the volume of gas:

与えられた温度と圧力の値を適切な単位（それぞれKとatm）に換算し、水素気体のモル数と理想気体の状態方程式を用いて気体の体積を求める。

V = (\frac{n R T}{P}) = \frac{0.191 mol \times 0.08206 L atm {mol}^{−1} K^{−1} \times 300 K}{0.951 atm} = 4.94 L

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Sulfur dioxide is an intermediate in the preparation of sulfuric acid. What volume of SO₂ at 343 °C and 1.21 atm is produced by burning 1.00 kg of sulfur in excess oxygen?

英語のヒント

二酸化硫黄は硫酸を製造する際の中間体である。過剰の酸素中で1.00 kgの硫黄を燃やすと、343 °C、1.21 atmで何LのSO₂が生じるか。

Greenhouse Gases and Climate Change温室効果ガスと気候変動

The thin skin of our atmosphere keeps the earth from being an ice planet and makes it habitable. In fact, this is due to less than 0.5% of the air molecules. Of the energy from the sun that reaches the earth, almost

\frac{1}{3}

is reflected back into space, with the rest absorbed by the atmosphere and the surface of the earth. Some of the energy that the earth absorbs is re-emitted as infrared (IR) radiation, a portion of which passes back out through the atmosphere into space. Most of this IR radiation, however, is absorbed by certain atmospheric gases, effectively trapping heat within the atmosphere in a phenomenon known as the greenhouse effect. This effect maintains global temperatures within the range needed to sustain life on earth. Without our atmosphere, the earth's average temperature would be lower by more than 30 °C (nearly 60 °F). The major greenhouse gases (GHGs) are water vapor, carbon dioxide, methane, and ozone. Since the Industrial Revolution, human activity has been increasing the concentrations of GHGs, which have changed the energy balance and are significantly altering the earth’s climate (Figure 9.24).

英語のヒント

地球を覆う薄い大気の層は、地球が氷の惑星になるのを防ぎ、生命が住めるようにしている。実際には、これは空気分子の0.5%にも満たない分子によるものである。地球に届く太陽のエネルギーのうち、ほぼ

\frac{1}{3}

は反射されて宇宙に戻り、残りは大気と地表に吸収される。地球が吸収したエネルギーの一部は赤外線（IR）として再放射され、その一部は大気を通り抜けて宇宙に戻る。しかし、この赤外線の大部分は大気中の特定の気体に吸収され、実質的に熱を大気中に閉じ込める。この現象を温室効果という。温室効果は、地球上の生命を維持するために必要な範囲に地球の気温を保つ。大気がなければ、地球の平均気温は30 °C以上（ほぼ60 °F）低くなる。主な温室効果ガス（GHG）は、水蒸気、二酸化炭素、メタン、オゾンである。産業革命以降、人間活動によって温室効果ガスの濃度が増え続けており、それらがエネルギー収支を変え、地球の気候を大きく変化させている（図9.24）。

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

Figure 9.24図 9.24

Greenhouse gases trap enough of the sun’s energy to make the planet habitable—this is known as the greenhouse effect. Human activities are increasing greenhouse gas levels, warming the planet and causing more extreme weather events.

温室効果ガスは、地球を生命の住める場所にするのに十分な太陽エネルギーを閉じ込める。これが温室効果である。人間活動は温室効果ガスの量を増やし、地球を温暖化させ、より極端な気象現象を引き起こしている。

There is strong evidence from multiple sources that higher atmospheric levels of CO₂ are caused by human activity, with fossil fuel burning accounting for about

\frac{3}{4}

of the recent increase in CO₂. Reliable data from ice cores reveals that CO₂ concentration in the atmosphere is at the highest level in the past 800,000 years; other evidence indicates that it may be at its highest level in 20 million years. In recent years, the CO₂ concentration has increased preindustrial levels of ~280 ppm to more than 400 ppm today (Figure 9.25).

英語のヒント

大気中のCO₂濃度の上昇は人間活動に起因するという強い証拠が、複数の情報源から得られており、近年のCO₂増加の約

\frac{3}{4}

を化石燃料の燃焼が占めている。氷床コアから得られた信頼性の高いデータは、大気中のCO₂濃度が過去80万年間で最も高い水準にあることを示す。別の証拠は、過去2000万年間で最高の水準である可能性を示している。近年、CO₂濃度は産業革命前の約280 ppmから、今日の400 ppmを超える値まで増加している（図9.25）。

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

Figure 9.25図 9.25

CO₂ levels over the past 700,000 years were typically from 200–300 ppm, with a steep, unprecedented increase over the past 50 years.

英語のヒント

過去70万年間のCO₂濃度は通常200〜300 ppmだったが、過去50年間には前例のない急増が見られる。

Susan Solomonスーザン・ソロモン

Atmospheric and climate scientist Susan Solomon (Figure 9.26) is the author of one of The New York Times books of the year (The Coldest March, 2001), one of Time magazine’s 100 most influential people in the world (2008), and a working group leader of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), which was the recipient of the 2007 Nobel Peace Prize. She helped determine and explain the cause of the formation of the ozone hole over Antarctica, and has authored many important papers on climate change. She has been awarded the top scientific honors in the US and France (the National Medal of Science and the Grande Medaille, respectively), and is a member of the National Academy of Sciences, the Royal Society, the French Academy of Sciences, and the European Academy of Sciences. Formerly a professor at the University of Colorado, she is now at MIT, and continues to work at NOAA.

英語のヒント

大気・気候科学者のスーザン・ソロモン（図9.26）は、ニューヨーク・タイムズの年間優良図書の一つ『The Coldest March』（2001年）の著者であり、タイム誌の「世界で最も影響力のある100人」（2008年）の一人でもある。また、2007年のノーベル平和賞を受賞した気候変動に関する政府間パネル（IPCC）の作業部会の指導者も務めた。彼女は、南極上空のオゾンホール形成の原因を特定し、説明することに貢献し、気候変動について多くの重要な論文を執筆している。米国とフランスの最高位の科学賞（それぞれアメリカ国家科学賞とグランド・メダル）を受賞し、米国科学アカデミー、英国王立協会、フランス科学アカデミー、欧州科学アカデミーの会員でもある。以前はコロラド大学の教授だったが、現在はMITに所属し、NOAAでも研究を続けている。

For more information, watch this video about Susan Solomon.

詳しくは、スーザン・ソロモンについてのこの動画を見よ。

NOAA; modified by OpenStax. · Public domain · Source出典

Figure 9.26図 9.26

Susan Solomon’s research focuses on climate change and has been instrumental in determining the cause of the ozone hole over Antarctica. (credit: National Oceanic and Atmospheric Administration)

スーザン・ソロモンの研究は気候変動を中心とし、南極上空のオゾンホールの原因を解明するうえで重要な役割を果たしてきた。（クレジット：米国海洋大気庁）