水上置換法で捕集した気体の物質量の計算

気体の状態方程式・分圧の応用問題である水上置換法で捕集した気体の物質量の計算問題を解説します。

問題

問題例は以下です。

解答・解説

(1),(2)で実験の操作について問い、(3)で実験結果をもとに得られた水素の物質量を計算する流れになっています。

(1)

メスシリンダー内を一度水で満たすのは、いったんメスシリンダー内から空気を完全に追い出すためです。メスシリンダー内に空気が入ったまま捕集を初めてしまうと捕集した気体の純度が低くなってしまいます。

答え：メスシリンダー内の空気を完全に追い出すため。(22字)

(2)

メスシリンダーの水面と水槽の水面を一致させるのは、メスシリンダー内の圧力を大気圧と一致させるためです。

水面が一致していないとメスシリンダー内の圧力と大気圧が一致せず、物質量計算に不具合が生じます。( (3)の物質量の計算で大気圧を計算に使用します。)

答え：メスシリンダー内の圧力と大気圧を一致させるため。(24字)

(3)

メスシリンダー内に理想気体の状態方程式を適用して物質量を計算します。

ただし、水面から水が蒸発して飽和状態になっているため水の飽和蒸気圧を考慮する必要があります。

メスシリンダー内は水蒸気と水素だけが存在しているとすると、水素の分圧と水蒸気の分圧が大気圧に一致する。

水素の分圧は

1.0×10⁵Pa-3.6×10³Pa=96400Pa

気体の状態方程式に代入して、

96400×0.4=n×8.31×10³×300

n=0.015mol