国家公務員総合職（化学・生物・薬学）H28年 問39解説

　問 題　　　　　

気体の溶解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。

「ある混合気体中の微量成分A が定常状態で水に溶解している過程を考える。成分A の物質量流束 N_A は、流体本体と気液界面の濃度差を移動の推進力として
N_A = k_x（x_Ai – x_A）= k_y （y_A – y_AA）　で表される。ここで、k_x、k_y は、それぞれ液相及び気相の物質移動係数、x_A、y_A はそれぞれ液相本体及び気相本体における A の濃度、x_Ai、y_Ai はそれぞれ液相側の界面及び気相側の界面における A の濃度である。

また、気液界面では平衡が成り立ち、xAi、yAi は、yAi= mxAi の関係にある。ここで、m はヘンリー定数である。平衡状態との差を移動の推進力として考えると、N_A は
N_A = K_x(x_A*ーx_A)=K_y(y_A – y_A*)
で表される。ここで、y_A＊ は x_A と平衡状態にある気相濃度（y_A＊= mx_A）、x_A＊ は y_A と平衡状態にある液相濃度 (x_A* = y_A/m) 、K_y、K_x はそれぞれ気相基準及び液相基準の総括物質移動係数である。

これらの関係より 1/K_y、1/K_x は、
1/K_y = ㋐
1/K_x = 1/mk_y + 1/k_xとなる。

溶解度が十分小さい系では、物質移動は ㋑ 支配となる。このとき溶解速度は、気相本体の撹拌により、 ㋒。」

 

 

 

 

 

　解 説　　　　　

㋐ ですが
N_A = K_x(x_A*ーx_A)=K_y(y_A – y_A*) の右２つの式を抜き出します。
K_x(x_A*ーx_A)=K_y(y_A – y_A*)　です。ここに、x_A* = y_A/m、y_A＊= mx_A　を代入します。

選択肢を見れば
1/K_y = 1/k_y + m/k_x であれば、分母側に m をかけると、問題文に与えられている 1/Kx の右辺の形になります。よって、正解は 1 ~ 3 です。

㋑、㋒ ですが
溶解度が高い＝気体がすいすい液体に入るということです。この場合、液相抵抗は問題にならないと考えられます。逆に溶解度が十分小さい系では、液相抵抗が支配的になり、このような時に気相をいくら撹拌しようと、溶解速度はほぼ変化しないと考えられます。㋑ は「液相抵抗」、㋒ は「変化しない」です。

以上より、正解は 3 です。