高分子化合物の性質Ａ～Ｄと構造式㋐～㋓の組合せとして最も妥当なのはどれか。

Ａ 樹脂として飲料水容器やフィルム、磁気テープの基材に用いられ、また、繊維として広く衣類に用いられている。送液チューブや人工血管など医療分野でも用いられている。

Ｂ 透明度が高く、硬いが、有機溶剤に溶けやすい。日用品やプラモデルの素材として、また、発泡剤を用いて発泡成型したものが断熱容器や衝撃吸収材として用いられている。

Ｃ 主に繊維として用いられ、絹に似た光沢や肌触りがあり、軽く、耐衝撃性、耐薬品性に優れる。また、耐摩耗性に優れたエンジニアリングプラスチックとしても用いられている。

Ｄ 極めて大きな耐衝撃性があり、その他の機械的強度も高い。また、透明度が高いため、CDの基板、ヘルメットの風防などに用いられている。耐熱性、難燃性などにも優れている。

Ａ Ｂ Ｃ Ｄ
1. ㋐ ㋑ ㋓ ㋒
2. ㋐ ㋓ ㋒ ㋑
3. ㋒ ㋓ ㋐ ㋑
4. ㋓ ㋑ ㋐ ㋒
5. ㋓ ㋑ ㋒ ㋐

　解 説　　　　　

構造から、高分子がわかる必要があります。

㋐ は、ポリカーボネートです。
㋑ は、ポリスチレンです。
㋒ は、ナイロン 6 です。
㋓ は、ポリエチレンテレフタレートです。

㋓ が PET なので、PET ボトルから連想して「飲料水容器」と符号しやすいのではないでしょうか。これにより、正解は 4 or 5 です。また、B の記述が ㋑ とわかります。

ナイロンといえば繊維なので、C と符号するとわかります。ポリカーボネートに耐衝撃性、耐熱性、難燃性という記述も妥当と考えられます。

以上より、正解は 5 です。

合金に関する記述 ㋐ ㋑ ㋒ のうちから妥当なもののみを全て挙げているのはどれか。

㋐ 水素吸蔵合金は、水素と反応又は水素を結晶内に固溶することにより、大量の水素を可逆的
に取り込むことができる合金である。合金の温度を上げることによって水素を吸蔵、合金の温
度を下げることによって水素を放出させる。

㋑ 形状記憶合金は、外力で形状が変形しても、加熱によって元の形状に戻る合金である。これ
はマルテンサイト変態が可逆的で、母相が冷却してマルテンサイト相となったものが、転移点
以上に再び加熱されると、母相及びその形状に戻ることを利用している。

㋒ アモルファス合金は、金属に原子半径が極端に異なる元素が混ざると結晶格子の乱れが生じ、その乱れが極端に大きくなるよう調製したものである。格子の乱れのため磁化しにくく、高硬度である一方、脆く、耐食性に劣る。

1. ㋐ ㋑
2. ㋐ ㋒
3. ㋑
4. ㋑ ㋒
5. ㋒

　解 説　　　　　

㋐ ですが
前半の記述は妥当です。後半ですが、水素吸蔵合金から水素を放出させるためには、合金に熱を加えます。温度を下げるわけではありません。よって、㋐ は誤りです。

㋑ は妥当な記述です。
マルテンサイト変態とは、合金において結晶格子中の各原子が拡散を伴わずに協働的に移動することで、新しい結晶構造となることです。

㋒ ですが
アモルファス合金とは、合金を液体から急冷することにより作られる、非晶質の合金の総称です。前半の記述は侵入型合金についてです。また、後半ですが、高強度、軟磁性、耐食性がアモルファス合金の３大特性と呼ばれています。よって、㋒ は誤りです。

以上より、正解は 3 です。

流通反応器を用いて 3A ＋ 5B → 4C の反応を行わせる。A とB のみをモル組成比 A：B ＝ 2：3の一定組成で反応器に送り込んだところ、定常状態で反応器出口中の B と C のモル組成比はB：C ＝ 5：8となった。A の反応率として最も妥当なのはどれか。

1. 60％
2. 70％
3. 80％
4. 90％
5. 100％

　解 説　　　　　

流通反応器のイメージは、以下の通りです。

具体的に、A 100,B150 で in してみたと考えてみます。

正解が 1 と仮定します。
A が 60% 反応すると、反応式の左辺が 3A + 5B　なので、B が 100 反応します。できるのは 80 の C です。残っている B は 50 なので、B ： C が　５：８　です。うまく題意を満たしたため、これが 正解と考えられます。

以上より、正解は 1 です。

ガス吸収塔で混合気体と水を向流接触させて、気体中のアンモニアを吸収する。

図のように、吸収塔下部入口よりアンモニア 10.0 mol ％ 窒素 90.0mol ％の混合気体を 10.0 kmol・h^-1 で供給し、吸収塔上部入口から純水を40.0kmol・h^-1 で供給したところ、吸収塔上部出口から排出された混合気体のアンモニアのモル百分率が 5.00mol ％ となった。

吸収塔下部出口から排出された液中のアンモニアのモル百分率として最も妥当なのはどれか。ただし水による窒素の吸収水の蒸発は無視できるものとする。

1. 0.5mol％
2. 0.9 mol％
3. 1.3mol％
4. 1.7mol％
5. 2.1mol％

　解 説　　　　　

混合気体を 1時間に 10.0kmol 供給し、アンモニアが 10.0 mol% なので、1h で、1kmol の NH₃ が供給されています。全部で 10.0kmol なので、 残り 9kmol は N₂  です。

そして、0.5 kmol の NH₃ になって上から出ていっているので、水に溶けて、下に 0.5k mol 分 NH₃ が行くとわかります。

すると 純水 40.0kmol 中に NH₃ が 0.5kmol 溶け込んでいるのだから 0.5/40 = 1/80 ≒ 1.3 mol % です。

以上より、正解は 3 です。

円管内の流れの状態に関する次の記述の㋐ ㋑ ㋒に当てはまるものの組合せとして最も妥当なのはどれか。

「円管内の流れの状態が、層流、乱流のいずれであるかは、レイノルズ数 Re = Duρ/μ により判断できる。ここで D は円管の内径、u、ρ、μ はそれぞれ流体の平均流速、密度、粘度である。

層流の状態では ㋐ が流れの状態を支配しており円管の半径を R(=D/2)、円管中心軸か
らの半径方向の距離を r、 最大流速を u_max とすると、円管内の速度分布 u(r) は、u(r) ＝ ㋑
で表される。

内径 100mm の円管内を、密度 1000kg・m^-3 粘度 1.0 × 10^-3 Pa・s の流体が、流量 1.0 × 10^-4 m³・s^-1 で流れているとき、流れの状態は ㋒ である。」

　解 説　　　　　

㋐ ですが
Re が小さいと層流です。大体 Re < 2000 が目安です。層流の状態では、粘性が流れの状態を支配します。正解は 3 ~ 5 です。

㋑ ですが
放物線分布　というキーワードを思い出せれば、二乗を選べるのではないでしょうか。とはいえ、これがわからなくても、㋒ で答えは導けます。

㋒ ですが
Q = Au と考えられるため、流量から u を求めることができます。内径が 100mm なので、半径は 50mm です。単位を m にするため、0.05m とします。円の面積は πr² です。従って、u = 1.0 × 10^{-4 （}m³・s^-1）/(π × 0.05²) です。計算すると、u = 1/25π (m/s) となります。

問題文の式に D = 100mm → 0.1 m、ρ = 1000kg・m^-3、μ = 1.0 × 10^-3 (Pa・s = kg/m・s²)を代入して、Re を求めます。 Re は無次元数なので、単位は消えると信じて（実際に全てきれいに消えます。）数値のみを計算します。

Re < 2000 なので層流です。

以上より、正解は 4 です。

定容回分反応器を用いて A → B で表される液相２次反応を行わせる。成分 A の初濃度を 4.0 kmol ・m^-3 として 20min 一定温度で反応させたところ、反応率が80％となった。同じ条件で反応率を 95 ％にするのに必要な反応時間として最も妥当なのはどれか。

1. 24min
2. 37min
3. 66min
4. 95min
5. 124min

　解 説　　　　　

２次反応なので、1/C = kt + 1/C₀ ・・・（１）を思い出します。

20 分後に、反応率が 80% とあるので、その時の濃度は、初濃度を C₀ とおけば 0.2C₀ と表すことができます。t = 20、C = 0.2C₀、C₀ = 4 を（１）に代入すれば、k = 1/20 です。

反応率 95% になる時の t を求めればよいので、（１）の C に 0.05C₀、C₀ = 4、k = 1/20 を代入すれば、t = 95 です。

以上より、正解は 4 です。

参考）物理化学　４－１　２）