危険物乙4：密度と比重・気体の性質をわかりやすく解説！試験頻出なので必見です

本記事では「基礎的な物理および基礎的な化学」で出題される「密度と比重・気体の性質」を取り上げます。

※「基礎的な物理および基礎的な化学」について詳しく知りたい人は「危険物乙4の物理化学は難しい？過去問や覚え方・ポイントや計算問題は？」をご覧ください。

「密度と比重・気体の性質」ではボイル・シャルルの法則など、非常に重要な公式がたくさん登場するので、危険物乙4を受験予定の人は必ず理解しておきましょう。

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密度とは？

密度と比重は固体や液体では同じ数値を示しますが、単位の有無にご注意ください。

単位体積あたりの物質の質量を密度といい、密度には単位があります。

固体や液体の密度は、1cm³当たりの物質の質量（g）で表し、単位はg/cm³です。

気体は体積が大きいため、密度は1m³や1L当たりの質量で表し、単位はg/m³やg/Lです。

温度によって体積が変化すると密度や比重も変化します（比重についてはこの後解説します）

一般に、温度が上がり体積が増えると密度は小さくなります。

水は1気圧4℃のとき体積が最も小さくなります。密度は最も大きく1g/cm³になります。これは必ず覚えておきましょう。

比重とは？

物質の密度と、水または空気の密度との比を比重といい、比重には単位がありません。

液比重

固体や液体の比重は、物質の湿度と1気圧4℃の水の密度（1g/cm³）との比で表します。

しかし、分母が1なので、比重は物質の密度と同じ値になります。

これを液比重といいます。

一般的に、物質の比重＝液比重を指します。

蒸気比重

気体の比重は標準状態（0℃、1気圧）での気体の密度と空気の密度（1.293g/L）の比で表します。

これを蒸気比重といいます。

気体は、同じ温度と圧力においては、同体積に含まれる分子の数は同じです。

よって、気体の比重は気体の分子量と空気の平均分子量との比に等しくなり、蒸気比重の大小は物質の分子量の大小から判断できます。

では、練習として、次の気体のうち、最も蒸気比重の大きいものはどれか計算してみましょう。

※原子量はC＝12、H＝1、O＝16とする。

水素、酸素、二酸化炭素、メタン、アセチレン

物質の分子量は原子量の和で求めることができます。

• 水素（H₂) の分子量：1×2＝2
• 酸素（O₂）の分子量：16×2＝32
• 二酸化炭素（CO₂）の分子量：12×1＋16×2＝44
• メタン (CH₄）の分子量：12×1＋1×4＝16
• アセチレン（C₂H₂）の分子量＝12×2＋1×2＝26

よって、最も蒸気比重の大きい気体は二酸化炭素となります。

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比重と第4類の危険物

比重が1より小さい（水より軽い）物質は水に浮く性質があります。

第4類の危険物（引火性液体）は比重が1より小さい（水よりも軽い）ものが多く、特に非水溶性液体の火災を注水で消火しようとすると危険物が水の表面に浮かんで広がるため、火災がかえって広がる危険性があります。

よって、第4類の危険物の火災に注水消火は不適切と言えます。

また、第4類の危険物のように蒸気比重が1より大きい（空気より重い）ものは低い所に滞留する危険性が高くなります。

気体の性質

気体は温度や圧力などの条件によって変化します。

気体には様々な法則があり、その中でも有名な法則が以下でご紹介する

• ボイルの法則
• シャルルの法則
• ボイル・シャルルの法則

です。それぞれの詳細は以下です。

ボイルの法則

温度が一定の状態では、一定質量の気体の体積は圧力に反比例します。

これをボイルの法則といいます。

ボイルの法則では、温度と質量が一定の状態で、圧力P₁、体積V₁の気体を圧力P₂、体積V₂にした場合、以下の関係式が成り立ちます。

P₁ × V₁ ＝ P₂ × V₂

シャルルの法則

圧力が一定の状態では、一定質量の気体の体積は温度に比例します。

これをシャルルの法則といいます。

シャルルの法則では、圧力と質量が一定の状態で、絶対温度T₁、体積V₁の気体を絶対温度T₂、体積V₂にした場合、以下の関係式が成り立ちます。

※シャルルの法則で示す温度は絶対温度です。

V₂ ＝ V₁ × T₂/T₁・・・（1）

絶対温度は気体の体積が0になる温度（-273℃）を絶対零度とする尺度です。論理的にこれより低い温度は存在しません。

絶対温度の単位はケルビン（K）です。

0℃は273Kに対応し、1Kの温度変化は1℃の温度変化と同じです。

では、温度がセ氏温度の場合、上の（1）はどうなるか考えてみましょう。

温度t₁（℃）、体積V₁の気体を温度t₂（℃）、体積V₂にした場合、「T＝t＋273」より、（1）は以下のようになります。

V₂ ＝ V₁ ×（t₂＋273）/（t₁＋273）・・・（2）

シャルルの法則は、一定質量の気体の体積は、温度が1℃上昇すると、0℃のときの体積の約1/273ずつ増加することを表しています。

また、気体の体積は、-273℃（絶対零度）では、0になることがわかります。

ボイル・シャルルの法則

ボイルの法則とシャルルの法則をまとめてボイルシャルルの法則といいます。

絶対零度T₁、圧力P₁、体積V₁の気体を、絶対温度T₂、圧力P₂、体積V₂にした場合、以下の関係式が成り立ちます。

（P₁ × V₁）/T₁ ＝ （P₂ × V₂）/T₂

ボイル・シャルルの法則は、一定質量の気体の体積は圧力に反比例し、絶対温度に比例することを表しています。

以上

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