石油に関する記述 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　炭化水素と水蒸気を触媒存在下で同時に加熱することにより水素を製造する方法を、水蒸気改質法と呼ぶ。触媒にはニッケル系触媒などが使用されている。

㋑　原油は、常圧蒸留により沸点に応じて各留分に分けられる。これらのうち、軽質ナフサはエチレンなどの石油化学原料として、重質ナフサは改質されたのちガソリンとして利用される。

㋒　石油の分解法として、熱分解や接触分解などが挙げられる。熱分解では主にカルボカチオンが生成し、接触分解では主にラジカルが生成することで分解が進行する。

㋓　炭素数が等しいとき、枝分かれのある炭化水素や芳香族炭化水素は、直鎖状の炭化水素と比べてオクタン価が低く、ノッキングが起きやすくなる。

1．㋐
2．㋐、㋑
3．㋑、㋒
4．㋒、㋓
5．㋓

　解 説　　　　　

㋐ は妥当です。
水蒸気改質法についての記述です。

㋑ は妥当です。
原油の留分におけるナフサについての記述です。

㋒ ですが
熱分解では主にラジカルが生成し、接触分解では主にカルボカチオンが生成します。逆になっており、㋒ は誤りです。

㋓ ですが
オクタン価は、ノッキングの起こりにくさを表します。オクタン価が高いとノッキングが起こりづらいです。

オクタン価はイソオクタンという「枝分かれが多い炭化水素」を 100 とした値です。イソオクタンがとてもオクタン価が高く、ノッキングが起こりづらい炭化水素です。そのため「枝分かれのある炭化水素…は、…オクタン価が低く」という記述は妥当ではありません。㋓ は誤りです。

以上より、正解は 2 です。

放射線に関する記述 ㋐ ～ ㋓ のうち、妥当なもののみを挙げているのはどれか。

㋐　β 線は電子の流れであり、同じ放射線核種からは同じ決まったエネルギーで放射される。

㋑　γ 線は電磁波の一つであり、電荷をもたないため、外部から電場をかけてもその進路は変化しない。

㋒　原子炉における減速材とは、高速中性子を減速して熱中性子とするための物質である。減速材には、軽水や重水のほか黒鉛などが用いられる。

㋓　放射線の強さは、単位時間に崩壊する原子核の個数で表す。毎秒 1 個の原子核が崩壊するときの放射能を 1 シーベルト (単位記号 Sv) という。

1．㋐、㋑
2．㋐、㋒
3．㋑、㋒
4．㋑、㋓
5．㋒、㋓

　解 説　　　　　

㋐ ですが
β 線のエネルギーは連続スペクトルです。従って「同じ決まったエネルギーで放出」ではありません。㋐ は誤りです。

㋑ は妥当です。
γ 線及び X 線は、質量と電荷をもたない電磁波の一種です。

㋒ は妥当です。
原子炉における減速材についての記述です。

㋓ ですが
単位時間に崩壊する個数を表す単位は「Bq (ベクレル)」です。シーベルト(Sv) は実効線量の単位です。実効線量とは「放射線の種類を考慮した」人体への被曝影響を評価した数値のことです。㋓ は誤りです。

以上より、正解は 3 です。

純度が 96.0 wt ％ の硫黄を 100 kg・h^-1 の質量流量で投入し、空気で燃焼する。このとき、反応器入口からは水も一緒に供給する。この出口ガスから H₂SO₄ と水を除去した生成ガスの分析結果は、SO₂ が 17.0 mol ％、O₂ が 3.0 mol ％、残りが N₂ であった。このとき生成した SO₂ の量として最も妥当なのはどれか。

ただし、空気の組成は O₂ が 21.0 mol ％、残りが N₂ とする。また、供給されたS のうちの一部は SO₃ にまで酸化され、水と反応して H₂SO₄ となり生成ガスの分析結果には表れない。なお、H，O，S の原子量はそれぞれ 1.0，16.0，32.0 とする。

1． 10.8 kg・h^-1
2． 91.5 kg・h^-1
3． 96.0 kg・h^-1
4． 183 kg・h^-1
5． 192 kg・h^-1

　解 説　　　　　

投入されるのは、96kg/h の S です。
mol に直しておくと 96 ÷ 32 = 3mol/h の S が投入されます。

S + O₂ → SO₂ …(1) です。S 1mol から SO₂ が 1 mol 生成されます。一部が SO₃ まで酸化され、これは水と反応して硫酸として処理されています。

出口ガスの組成が
SO₂ 17%、O₂ 3%、N₂ 80% ということなので、ほぼ空気の組成 (O₂ 21%、N₂ 79%) における O₂ が SO₂ になっています。つまり、投入した ほとんどの S が (1) の反応で SO₂ になり、反応分だけ 空気中の O₂ が減少しているとわかります。

もしも投入された S が全て SO₂ になると 3mol の SO₂ が出来ます。この時 192 kg/h 生成されます。実際は、これよりわずかに少ない量とわかるので、選択肢を見れば 183 kg/h が妥当です。

以上より、正解は 4 です。

図のように、大気圧下でタンク A に入っている密度 1000 kg・m^-3 の液体を、ポンプを用いて内径 20.0 cm の円管を通じてタンク B までくみ上げる。くみ上げる高さが 10.0 m、円管内の液体の平均流速が 2.00 m・s^-1 で全摩擦損失が 100 J・kg^-1 であったとき、ポンプによって液体に与えられた動力として最も妥当なのはどれか。

ただし、タンク A は十分に大きいので、液体をくみ上げても液面の位置は変化しないものとする。また、重力加速度の大きさを 9.8 m・s^-2 とする。

1． 198 W
2． 200 W
3． 12400 W
4． 12600 W
5． 50300 W

　解 説　　　　　

ポンプなので、ポンプの理論動力
P = ρgQH…(1) を思い出します。

連続の式 Q = Av から Q を求めます。
円管の断面積 A は、半径 10cm = 0.1m の円なので
A = π(0.1)² = 0.01 π m² です。

平均流速 v = 2.00 m/s なので
Q = 0.01π × 2.00
= 0.02π m³/s となります。

従って
(1) の右辺を計算すると
1000 × 9.8 × 0.02π × 10
= 1960π です。

実際には 損失分も動力が必要です。
全摩擦損失は 100 J/kg で
汲み上げる水の質量は 1000Q = 20π(kg/s) なので
2000 π (J) の摩擦損失があります。

1960π + 2000 π
≒ 4000 π　とすれば
12566 W なので
最も近い選択肢を選ぶと 12600 W が妥当です。

以上より、正解は 4 です。

粘度不明のグリセリン (密度 1200 kg・m^-3) を高さ 2 m の円筒に満たした。上部液面から直径 6.0 mm、密度 3000 kg・m^-3 の球状粒子を落としたときに、液面からの高さ 1.0 m から 1.5 m の区間を通過するのに 12 秒かかった。このとき、グリセリンの粘度として最も妥当なのはどれか。

ただし、粒子は液面から 1.0 m まで沈降するまでに終末速度に達しているものとし、このときのレイノルズ数はストークス域に入るものとする。また、重力加速度の大きさを 9.8 m・s^-2 とする。

1． 0.40 Pa・s
2． 0.57 Pa・s
3． 0.85 Pa・s
4． 1.0 Pa・s
5． 1.3 Pa・s

　解 説　　　　　

2m の円筒にグリセリンというのは、TV 番組などで目にするスケール感ですごい実験と感じる設定でした。沈降速度がわかる実験なのでストークスの式を思い出します。

ストークスの式は
V = (1/18) × {(ρ – ρ₀) × g} D² / η₀ です。

左辺 V は沈降速度です。
本問では 0.5m 落下に 12 秒かかっているので 0.5/12 です。

右辺 ρ は 粒子の密度です。(本問では 3000 kg/m³)
ρ₀ は 液体の密度です。(本問では 1200 kg/m³)
D は粒子の直径です。(本問では6.0mm なので、6.0 × 10^-3 m)
η₀ が求めたい液体の粘度です。

数値を代入して整理すると
例えば以下のように計算できて 0.85 です。

以上より、正解は 3 です。

連続槽型反応器 (CSTR) と管型反応器 (PFR) から二つを選び直列に接続することで、液相でのブタンの異性化反応 (n ‒ C₄H₁₀ → i ‒ C₄H₁₀) を行う反応器全体の容積の最小化を行いたい。

図Ⅰ、Ⅱ、Ⅲは、原料液流量 v₀ = 1.35 × 10^-3 m³・s^-1，原料初期濃度 C_A0 = 1.03 × 10³ mol・m^-3 のときの反応物の反応率 (転化率) x_A と反応速度 r_A の関係を示しており、またそれぞれ図中の斜線部は反応器全体の容積を表している。

x_A = 0.65 を得るのに必要な反応器全体の容積が最小となるように反応器を直列接続したときの、反応器全体の容積を表す図と反応器の接続順の組合せとして最も妥当なのはどれか。ただし、原料は第1 段の入口から投入されるものとする。

　解 説　　　　　

n – ブタンは直鎖の C₄H₁₀
i – ブタンは枝分かれしたイソブタンです。

空間時間 τ = V/v₀ が
横軸に X_A、縦軸に -C_A0/r_A をとった時に
CSTR であれば　長方形
PFR であれば　積分値　であることが基礎知識です。

図Ⅰは 第 1 段、第 2 段 共に CSTR
図Ⅱは 第 1 段が CSTR、第 2 段が PFR
図Ⅲは 第 1 段、第 2 段 共に PFR です。

本問では縦軸を修正してくれていて
空間時間に対応する部分がそのまま体積となっています。

つまり
斜線部分の面積が小さい方を選んでいけばよいということです。

第 1 段においては CSTR < PFR です。

従って
第 1 段は CSTR が妥当です。正解は 1 or 3 です。

同様に見れば
第 2 段においては PFR < CSTR です。

従って
斜線部の面積の和が最小になるのは図Ⅱです。

以上より、正解は 3 です。