ある有機化合物の工業的製法等に関する次の記述の空欄に当てはまるものとして最も妥当なのはどれか。

「□　は、特有の刺激臭を有する化合物で、水、エタノール、エーテルなどと任意に混和する。沸点は20．8 ℃ である。工業的には、かつては希硫酸酸性の水銀塩触媒を用いるアセチレンの水和反応で製造されていたが、現在は主にワッカー法（ヘキスト−ワッカー法）と呼ばれるパラ
ジウムを含む塩化銅（Ⅱ）溶液中でのエチレンの直接酸化で製造される。」

1．アクリロニトリル
2．アセトン
3．アセトアルデヒド
4．エチレンオキシド
5．ギ　酸

　解 説　　　　　

ワッカー法（ワッカー酸化）は、アルケン→カルボニルへの変換反応です。触媒に用いられる Pd が特徴的元素です。（参考 H26no35）エチレンからはアセトアルデヒドが合成されます。

以上より、正解は 3 です。

ゼオライトに関する次の記述の㋐〜㋓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。

「ゼオライトは、結晶性アルミノケイ酸塩の一種であり、細孔を有し、分子ふるい作用、陽イオン交換能を有する。天然に産出するが、人工的にも合成が可能であり、合成ゼオライトとしてZSM−5 型、A 型などがよく知られている。

合成ゼオライトは、密閉容器内で㋐の存在下、原料を高温高圧で数日〜数週間保持することにより得られる。ZSM−5 型ゼオライトは、骨格構造における Si/Al モル比が ㋑ ことが特徴で、メタノールからのガソリン合成、キシレンの異性化の工業触媒として用いられる。

A 型ゼオライトは、ZSM−5 型と比べてSi/Al モル比が㋒、特に Ca²⁺ に対して優れた選択性及び交換量を持つため、洗剤の泡立ちをよくするビルダーとして利用されている。ZSM−5 型とA 型のうち、乾燥剤としてよく用いられるのは、 ㋓型ゼオライトである。」

　　㋐　㋑　㋒　㋓
1．氷晶石　小さい　大きく　ZSM−5
2．氷晶石　小さい　大きく　A
3．水　　　小さい　大きく　ZSM−5
4．水　　　大きい　小さく　ZSM−5
5．水　　　大きい　小さく　A

　解 説　　　　　

㋐ ですが
氷晶石は、アルミナ→アルミニウム　で用います。㋐ は「水」です。正解は 3 ~ 5 です。

㋑ ～ ㋓ ですが
ZSM-5型は、Si/Al モル比が大きく、A 型は相対的に小さいです。乾燥剤としてよく用いられるのは A 型です。

以上より、正解は 5 です。

硫黄を空気中で燃焼させて SO₂ とし、さらに、触媒により酸化させて SO₃ を得て、これを水に吸収させることにより硫酸を連続的に製造するプロセスを考える。このプロセスの反応式は次のようになる。

2S+3O₂ → 2SO₃
SO₃+ H₂O → H₂SO₄

製品として 98 wt ％ の硫酸を製造するため、硫黄を 180 kmol･h^-1 で供給したとき、必要な水の量はおよそいくらか。ただし、硫酸の分子量を 98、水の分子量を 18 とする。

1． 20 kmol･h^-1
2． 90 kmol･h^-1
3． 180 kmol･h^-1
4． 200 kmol･h^-1
5． 270 kmol･h^-1

　解 説　　　　　

上の化学式を見ると、S １mol から SO₃ 1mol ができています。そして、SO₃ 1 mol と 水 1 mol で 硫酸 1mol ができています。従って、H₂SO₄ 生成のために必要な水は、硫黄を 180kmol・h^-1 で供給すれば、180kmol・h^-1 です。

そして、製品として製造するのは 98 wt% の硫酸です。重さ 2% 分の水が更に供給される必要があります。具体的に 1 時間あたりで考えてみます。1 時間に 180kmol の硫酸ができると、これを重量の 98% とすれば、1% は硫酸 1.8k mol です。全体は 100% なので、2% つまり、硫酸 3.6k mol 分の重さを有する水が、更に必要です。

硫酸：水の分子量の比が大体５：１なので、大体 3.6k × 5 = 18k mol 分の水を加えればよいです。180 + 18 ≒ 200 です。

以上より、正解は 4 です。

蒸留に関する次の記述の㋐、㋑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。

「蒸留塔を全還流で運転すると、還流比 R は ㋐ となり、このときの塔段数を最小理論段数 Nm と呼ぶ。変形したラウールの式

で気液平衡を表すことができ、a が一定とみなせる場合は、解析的に Nm を求めることができる。留出液と缶出液の低沸点成分のモル分率（組成）を、それぞれ x_D、 x_W とすると、

となる。」

　解 説　　　　　

㋐ ですが
蒸留で一度蒸気になったものを凝縮させて蒸留塔に戻すことを還流といいます。 還流量を L_R とするとき、留出量 D との比 L_R/D が還流比です。従って、D = 0 であれば、還流比は∞です。正解は 4 or 5 です。

㋑ ですが
最小理論段数を求めるフェンスケの式です。なんとなく見たことがあれば「log の中身はちょうどひっくり返っている感じだったはず・・・」ぐらいでよいと思います。

ちなみに導出は
ラウールの式から X_D/1-X_D = αx₁/1-x₁ 、以下、(x2,x1) についても同様 にX₁/1-X₁ = αx₂/1-x₂、、、と成立するため、次次代入すれば X_D/1-X_D = α^Nmin x_w/1-x_w となります。これを整理して ln をとれば導出できます。

以上より、正解は 5 です。

上ぶたのない十分に大きな断熱容器に 0 ℃ の水を入れ、冷凍庫内で冷却したときに生成する氷の厚さ X を求めたい。次の記述の ㋐、㋑ 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。

「氷の密度を t、氷の熱伝導率を m、水の融解潜熱を L とする。図は、この系の温度分布を模式的に表したものであり、氷の上面の温度 T₀ は冷凍庫内の温度と等しく、氷と水の界面の温度をT_X（= 0 ℃）とする。

氷層の生成速度は十分に遅く、氷層内部の熱の移動は定常状態であり、t は温度に対して一定で、氷の温度変化に要する熱量は無視できるものとする。このとき、熱流束は ㋐ で示され、その大きさは dX/dt ρLと等しい。これらの関係から、X と時間 t の関係は X= ㋑となる。ただし、t=0 のとき X=0 とする。」

　解 説　　　　　

㋐ ですが
T₀ = T_X ＝ 0 ℃であれば、明らかに熱の流れはなく、熱流束 = 0 となるはずです。成り立つ式の形は λ(T₀ ー T_X）/X です。正解は 1 ~ 3 です。

熱流束の「大きさ」と dX/dt ρL が等しいということなので、とりあえずそのまま「＝」で結び、変数分離して積分し、X について解きます。

熱流束の符号を考慮し、（T₀ ー T_X）の所を（T_XーT₀）として√ をとることで、㋑ がわかります。

以上より、正解は 1 です。

原料物質 A についての一次反応 A → B は液相反応である。この反応を、回分反応器、連続槽型反応器、管型反応器でそれぞれ行う。反応率を 60 % としたときの各反応器の反応時間又は空間時間に関する記述 ㋐〜㋓ のうち妥当なもののみを全て挙げているのはどれか。

㋐　回分反応器の反応時間はA の初濃度に依存する。
㋑　回分反応器の反応時間と連続槽型反応器の空間時間は等しい。
㋒　回分反応器の反応時間と管型反応器の空間時間は等しい。
㋓　連続槽型反応器の空間時間は、管型反応器の空間時間に比べて大きい。

1．㋐、㋑
2．㋐、㋒
3．㋑
4．㋒、㋓
5．㋓

　解 説　　　　　

㋐ ですが
一次反応、回分反応器なので、１－コンパートメントモデルと考えればよいです。消失速度定数（この場合は反応速度定数と呼んだほうが妥当か。）を k とおけば、半減期 T_1/2 = 0.7/k です。初濃度が何であれ、半減するまでの時間は一定です。従って 60% 反応するまでの反応時間も初濃度に依存しません。よって、㋐ は誤りです。

㋑ ですが
連続槽型、一次反応なので、空間時間を τ とすれば、残存率 η = 1/(1+kτ)です。（参考 H28no40） η = 0.4 を代入して τ について解くと、1.5/k です。一次反応、回文反応器では、T_1/2 = 0.7/k だったので、60%反応するまでの反応時間は、明らかに 1.5/k より短いです。よって、㋑ は誤りです。

㋒、㋓ は妥当な記述です。

以上より、正解は 4 です。