エチレンは様々な有機化合物の原料として用いられている。エチレンの誘導体の合成に関する次の記述の ㋐ ～ ㋔ に当てはまる触媒等の組合せとして最も妥当なのはどれか。

「エチレンから塩化ビニルを合成する方法には、エチレンに塩素を付加させて 1,2 ‒ ジクロロエタンを合成した後、塩化水素を脱離させる直接塩素化法と、エチレン、塩化水素及び空気を反応させて 1,2 ‒ ジクロロエタンを合成した後、塩化水素を脱離させるオキシ塩素化法があるが、触媒として前者には ㋐ が、後者には ㋑ が用いられる。

アセトアルデヒドの合成では、かつてはアセチレンを水和し、ビニルアルコール経由で合成する方法が用いられていたが、現在は、 ㋒ を触媒としてエチレンを酸化する Wacker 法が用いられている。

エチレンを酸化してエチレンオキシドを合成し、さらにエチレンオキシドを水和してエチレングリコールの合成を行うとき、エチレンの酸化では、触媒としてアルミナを担体とした ㋓ が用いられ、水和では、無触媒で行われるか、触媒として ㋔ が用いられる。」

　解 説　　　　　

㋐、㋑ ですが
直接塩素化法では FeCl₃、オキシ塩素化法では CuCl₂ が触媒として用いられます。正解は 3 ~ 5 です。

㋒ ですが
環境への影響を考えれば、水銀を含む反応が「現在」の方法ではないだろうと判断したい選択肢です。HgSO₄ ではありません。正解は 4 or 5 です。

㋓ ですが
エチレンの酸化で用いられる触媒は、アルミナを担体とした「Ag」です。これにより、㋔ は H₂SO₄ とわかります。

以上より、正解は 5 です。

類題 H30no35 ポリマーの工業的製法
https://yaku-tik.com/yakugaku/km-30-35/

硫酸製造に関する次の記述の下線部 ㋐ ～ ㋓ のうち、妥当なもののみを挙げているのはどれか。

「原料の硫黄源には、硫化鉄鉱のばい焼、非鉄金属の精錬過程での排ガス、軽灯油・重油等の水素化脱硫装置で発生するガスなどがある。我が国では良質の硫化鉄鉱が豊富に産出することから、㋐ 現在も硫化鉄鉱が主原料となっている。

硫酸製造の要点は、SO₂ を SO₃ に酸化することにあり、その方法には硝酸式と接触式がある。前者は NO と NO₂ の混合物で SO₂ を酸化後、水蒸気を吹き込んで硫酸と NO を回収するものであり後者は触媒を用いて SO₂ を酸化させるものである。

接触式の触媒としては、Pt が優れているが、高価であり、As などの触媒毒に弱いことから、㋑ 現在はバナジウム系触媒が用いられている。バナジウム系触媒は、V₂O₅ を主触媒、珪藻土を担体とし、K、Na、Ca、Fe などを助触媒として加えたものであるが、接触式より硝酸式の方がコストが低く、㋒ 現在の硫酸製造は、硝酸式が主流となっている。

SO₃ が水と反応すると硫酸が得られるが、SO₃ を水と接触させても、ミストとなり容易に凝集せず、周りにガス状の膜ができて水に溶けないため、㋓ 濃硫酸が吸収剤として用いられる。SO₃ を吸収した酸は、そのまま発煙硫酸として、また、希硫酸で濃度調整をして出荷される。」

1．㋐、㋑
2．㋐、㋓
3．㋑、㋒
4．㋑、㋓
5．㋒、㋓

　解 説　　　　　

㋐ ですが
現在は「非鉄金属の精錬過程での排ガス」が主原料となっています。㋐ は誤りです。

㋑ は妥当です。
V₂O₅ 触媒について、高校化学などで目にした記憶がある人もいるのではないでしょうか。

㋒ ですが
「接触式」が主流です。㋒ は誤りです。

㋓ は妥当です。
濃硫酸が吸収剤として用いられます。

以上より、正解は 4 です。

ある熱分解炉にエタンを 1890 kg・h^-1 で連続供給し、次の反応でエチレンを製造する。

定常状態になっているとき、熱分解後の出口ガスの組成は、モル分率で H₂ が 0.370、CH₄  が 0.040、C₂H₄ が 0.330、C₂H₆ が 0.260 であった。C (グラファイト) は固体のため、出口ガス組成のモル分率には含まれないが、出口物質としては存在している。

単位時間当たりに製造されるエチレンの質量として最も妥当なのはどれか。ただし、C とH の原子量をそれぞれ 12.0、1.0 とする。

1．780 kg・h^-1
2．924 kg・h^-1
3．990 kg・h^-1
4．1180 kg・h^-1
5．1570 kg・h^-1

　解 説　　　　　

1890 kg・h^-1 は「1 時間に 1890 kg」です。kg を mol になおすと、1890 ÷ 30 = 63 mol となります。つまり、エタンは 63 mol/h 連続供給されています。出口ガスにエタンが残っているので、供給される 63 mol/h のうち、x mol/h エタンが反応するとします。

反応式の左辺の係数は 37 です。一方、右辺について、固体として出口に存在する C を除く係数の和が 37 + 4 + 33 = 74 です。係数比が 1:2 となるので、x mol 反応すれば、2x mol 気体が生成されます。x mol/h 反応すれば、2x mol/h 出口ガスが生成されるということです。

この時、出口ガスには未反応のエタンも供給されるため、全体としては「2x + (63 -x) mol」が出口ガスとして存在します。

出口ガスにおける エタンの割合が 0.26 であることから
(63 – x)/{2x + (63 -x)} = 0.26 となります。

この方程式を問題文から立てるのが、本問のポイントです。

方程式を解くと
x = 37 とわかります。

37 mol/h エタンが反応しているので
33 mol/h エチレンが生成します。

mol を kg に直すと
33 × 28 = 924 kg となります。これが、単位時間当たりに製造されるエチレンの質量です。

以上より、正解は 2 です。

ジエチルエーテルを溶剤に用いて、タラ肝から肝油を抽出する。原料のタラ肝は、肝油 33 wt ％、不溶性物質 67 wt ％ から成り、溶剤のジエチルエーテルはリサイクルして使用したため、1 wt％ の肝油を含んでいる。

原料 100 kg に溶剤 200 kg を加えて抽出したところ、肝油 19 wt％、ジエチルエーテル 81 wt ％ の抽出液 182 kg が得られた。このとき、抽残物における肝油及びジエチルエーテルの組成の組合せとして最も妥当なのはどれか。

　解 説　　　　　

【投入した原料と抽出物について】
原料 100kg の内訳は「肝油 33kg、その他 67kg」です。溶剤ジエチルエーテルの内訳は「ジエチルエーテル 198kg、肝油 2kg」です。インプット合計は 100 + 200 = 300kgです。

抽出液 182 kg の内訳は「肝油 182 × 0.19 = 34.58 kg、ジエチルエーテル 182 × 0.81 = 147.42 kg」です。抽残物は 300 – 182 kg = 118 kg あります。

【肝油に注目した物質収支】
肝油は 抽残物 118 kg の中に (33 + 2) – 34.58 = 0.42 kg 存在すると考えられます。 0.42/118 × 100 = 0.356 ≒ 0.4 です。正解は 1 or 2 です。

【ジエチルエーテルに注目した物質収支】
ジエチルエーテルは 抽残物 118 kg の中に 198 – 147.42 = 50.58 kg 含まれると考えられます。 50.58/118 × 100 = 42.9 です。

以上より、正解は 1 です。

厚さ 240 mm の耐火レンガの外側に厚さ 120 mm の断熱レンガ、更にその外側に厚さ 100 mm の赤レンガを重ねた炉壁がある。赤レンガの外表面の温度が 45 ℃ であり、断熱レンガの安全使用温度が 850 ℃ 以下であるとき、炉壁の内表面に許容される最大温度として最も妥当なのはどれか。

ただし、耐火レンガ、断熱レンガ、赤レンガの熱伝導度をそれぞれ 1.2 J・m^-1・s^-1・K^-1、0.20 J・m^-1・s^-1・K^-1、1.0 J・m^-1・s^-1・K^-1 とする。

1． 1000 ℃
2． 1080 ℃
3． 1170 ℃
4． 1250 ℃
5． 1360 ℃

　解 説　　　　　

伝熱なので、フーリエの法則を思い出します。q = λA(T₁ーT₂) / L です。温度差が必要なので、炉内と耐火レンガの境目温度を T_炉、耐火レンガと断熱レンガの境目の温度を T_M 、断熱レンガと赤レンガの境目温度を T_L、赤レンガと炉外の境目温度を T_k とおきます。

耐火レンガ部分、断熱レンガ部分、赤レンガ部分をそれぞれ、q₁,q₂,q₃ とおいて式を立てます。数値の代入は最後にまとめて行うため、耐火レンガの熱伝導度、厚さを λ₁、L₁、断熱レンガの熱伝導度、厚さを λ₂、L₂、赤レンガの熱伝導度、厚さを λ₃、L₃  とします。以下のようになります。

定常状態とします。q₁ = q₂ = q₃ です。q とおきます。
T_M = 850 ℃、T_K = 45℃ と仮定します。この時の T_炉 が、許容される最大温度です。

λ₁ = 1.2、λ₂ = 0.2、λ₃ = 1.0、L₁ = 240、L₂ = 120、L₃ = 100 を代入します。式 3 つで、未知数が q,A,T_L の 3 つなので、解けます。一例として、以下のように計算して、T_炉 = 1080 ℃ です。

以上より、正解は 2 です。

A → C で表される液相 1 次反応がある。この反応をある条件下で、反応器容積 V の連続槽型反応器で行ったところ、A の反応率 (転化率) が 80 ％ となった。

同じ温度、同じ原料供給速度でこの反応を、管型反応器を用いて行い、反応率を同じく 80 ％ にするとき、管型反応器に必要な容積として最も妥当なのはどれか。

ただし、loge 1.25 = 0.22、loge 5 =1.60 とする。

1． 0.06 V
2． 0.22 V
3． 0.40 V
4． 1.00 V
5． 1.60 V

　解 説　　　　　

連続槽型、一次反応であれば
空間時間を τ とすれば、残存率 η = 1/(1+kτ) です。

残存率 20% の場合
0.2 = 1/(1 + kτ) なので、τ について解けば
必要な空間時間 τ = 4/k…(1)

一方、管型反応器の空間時間は
回分反応器の反応時間と等しくなります。

回分反応器は
要するに 1 – コンパートメントとみなせるので
1 次反応であれば、半減期 T_1/2 ≒ 0.7/k です。

すると、80 % 反応するまでに必要な時間は
大体 2 半減期なので 1.4/k よりも少し大きいぐらい…(2) と表せます。

空間時間の定義は V/v₀ です。
問題文から「同じ原料供給速度」とあるので v₀ 等しいです。

同じ温度なので、k 等しいから
(2) は (1) の大体 40% です。

従って
管型反応器に必要な 容積 は、大体 0.4V と考えられます。

以上より、正解は 3 です。