国家公務員総合職（化学・生物・薬学）R3年 問37解説

　問 題　　　　　

ホルムアルデヒド CH₂O はメタノール CH₃OH の気相接触空気酸化反応により製造されているが、生成した CH₂O の一部は更に酸化されてギ酸 HCOOH になる。

いま、反応器の出口ガスの mol％ を調べたところ、HCOOH 0.6 mol％、H₂O 3.6 mol％、N₂ 68.0 mol％ であった。このときの反応器の出口における CH₃OH、CH₂O 及び O₂ のmol％ の組合せとして最も妥当なのはどれか。

ただし、空気は窒素と酸素がモル比で 4.0：1.0 の割合で混合された気体とし、反応器の出口では全ての物体は気体として存在するものとする。

 

 

 

 

 

　解 説　　　　　

本問に関連する化学式は以下のように表せます。

メタノールが酸化してホルムアルデヒドになる化学式
CH₃OH + 1/2 O₂ → CH₂O + H₂O…(1)

ホルムアルデヒドが酸化されてギ酸になる化学式
CH₂O + 1/2 O₂ → HCOOH…(2)

反応器の出口ガスの mol% のうち、問題文から
・HCOOH 0.6 mol%
・H₂O 3.6 mol%
・N₂ 68.0 mol% とあり、合計：72.2 mol% 分の内訳は与えられています。残り 27.8 mol% 分の内訳を考える問題です。また、選択肢から CH₃OH、CH₂O、O₂ の 3 種類の成分がわかればよいと読み取れます。

【CH₂O：ホルムアルデヒド の mol%】
出口ガスにおいて H₂O 3.6 mol%  なので、式 (1) より、全く酸化されていなければ、出口においてホルムアルデヒドは 3.6 mol% です。

出口ガスにおいて HCOOH が 0.6 mol% なので、式 (2) より、酸化されたホルムアルデヒドは 0.6 mol% とわかります。

従って
出口ガスにおける ホルムアルデヒドは 3.6 – 0.6 = 3.0 です。正解は 2 or 4 or 5 です。

【O₂ ：酸素 の mol%】
出口ガスにおける N₂ は、入ってきた空気由来です。空気における 窒素と酸素のモル比から、もしも全く消費されていなければ、出口において O₂ が 68.0 × 1/4 = 17.0 mol% です。

式 (1) より、メタノールの酸化に 1.8 mol% 分使用されています。また、式 (2) より 0.3 mol% 分使用されています。合計 2.1 mol% 分、酸化に使用されているため、17.0 – 2.1 = 14.9 mol% です。選択肢 4,5 は誤りです。答えがわかったので、ここまででよいです。

以上より、正解は 2 です。