通信教育QA：5大気有害物質特論

• Q全文：焙焼について詳しく知りたい。

• Q全文：カドミウムは、工業的にはどのような用途に利用されているのでしょうか？　具体例を教えてください。

• Q全文：分圧と平衡の概念と両者の関係について詳しく教えてください。

A答え：分圧とは気体に関する “濃度”です。気体はどんな気体であっても標準状態（0℃,1気圧）において1mol=22.4Lです。したがって、排ガス中等における特定成分の存在割合（すなわち濃度）を示すには、全圧力に対する特定成分の圧力すなわち“分圧”で表示するのが最も簡単なのです。分圧は温度、圧力を一定とした場合の 体積／体積 比または分率ということもできます。
　気体の濃度として分圧を使用するのは、①どんな特定成分であってもよいこと、②どのような外的条件（温度や圧力）であっても使用できることなどによります。
平衡：　平衡とは天秤やシーソーなどで左右のバランスがとれた状態をいいます。これが拡張され熱平衡、化学平衡などについても単に平衡という言葉で表されます。化学平衡と熱平衡では概念が多少異なります。
化学平衡：Aという物質が反応してBという物質ができる反応において、Aを原系（または反応系）、Bを生成系と呼びます。これをA→Bと表します。化学反応では特別なことがない限りA→Bと同時にA←Bという反応も起きており、A←B反応を“逆反応”と呼びます。また、逆反応が存在する反応を“可逆反応”といいます。
反応の速さ（反応速度）は反応する物質の濃度に比例します。したがって、反応A→Bが可逆反応である場合、
　① 　反応スタート時点ではA の濃度は高く、Bの濃度は0ですから、反応は一方的に右方向に進みます。スタート時点でB 濃度は０ですから、左方向反応（逆反応）は起きません。
　②　右反応が進むと反応によってA濃度は減少し、B濃度が増加します。このため、A→B反応は次第に遅くなり、A←B 反応が速くなってきます。
　③　更に反応が進むとやがてA→B反応とA←B反応の速さが同じになって、化学反応は進んでいるにもかかわらず、一見したところでは反応が停止したように見えます。
　④　このように外見上、時間が経過しても反応の様子が変わらない状態を“化学平衡”または“平衡”状態といいます。

　いまガス成分A(量は分圧で表します）が液体に吸収されてB（量は濃度で表します）に変わる反応をA→Bで表すことにします。反応が不可逆であるということはA→B反応だけが起こっておりA←B反応が起きないということになります。このため、A→B反応はAの分圧が０になるまで一方的に起こり、A が０すなわち分圧が０になった時点で反応停止ということになります。
　逆に可逆反応の場合、必ずA←B（いったん液体に吸収された物質が気化していく）反応によって Aの分圧が０になることはなく、時間が経つとほぼ一定の分圧ｐを示すことになります。

• Q全文：ガス側抵抗と液側抵抗の定義について知りたい。

A答え：ガス側抵抗、液側抵抗とは二重境膜のガス境膜、液境膜内における物質移動のしやすさと考えてください。

• Q全文：ガス分散形吸収装置と液分散形吸収装置との違いがイメージできず、覚えられません。何が違うのでしょうか？

• Q全文：充填物がラシヒリングの場合、充填塔の塔径とラシヒリング径との関係について教えてください。

A答え：液分散形吸収装置の一つである充填塔は、表面積の大きな充填物を詰めた塔内に上部から液を流し、ガスと向流に接触させて、ガス中の有害な成分を液体に吸収させる装置です。

• Q全文：二重境膜説におけるガス、液に抵抗支配について詳しく知りたい。

A答え：１．二重胸膜説の図の説明の前に図の背景（全体図）を理解してください。
２．雨が降った後、空気がきれいになったと感じることがありますが、これは雨滴に大気中のガス成分が“吸収”されたためと通常解釈されています。（もちろん大気中の粉じんなどが洗い落とされる効果もあります。）このようにガス中に水滴があるとガスの成分が水滴に溶け込んでいきます。これを図示すると図－1の右図のようになります。
 
３． ガス中の成分は、水滴とのガスの“界面”を通って水滴に溶解していきます。水滴とガスの界面部分（点線四角部分）を拡大したものが図-1 左図の“二重境膜モデル”ということになります。これを理解していただけばテキストの図2-1 が理解できると思います。
４． ガスと水滴の界面（接触面）では、ガス側と液体側にガス本体や液本体（水滴）とは性質が異なる“境膜”が形成されていると考えられています。ガス側が“ガス境膜”、液側が“液境膜”と呼ばれ、これが二重境膜モデルの名称の基になっています。
５． 境膜の性質についてはテキストＰ19 の“ガス吸収の理論”で詳細に説明していますが、ここで繰り返して説明します。① 界面の両側にできた“境膜”は薄い、② 境膜内では界面に対して直角方向の流れがない、③ このため境膜内の物質移動は分子拡散のみに依存する、④ したがって、境膜内の拡散は遅く物質移動の抵抗になる。
６． ガス側：縦軸は各位置における“分圧”を表します。分圧とは、被吸収物質の量を圧力で表示したものです。
　① ガス中における“被吸収物質の量 = p”  
　② ガスと液体の界面では、液体にガスが溶解するため、ガスの分圧は pi に低下する
７． 液体側：縦軸は液体部の各点における、液体に溶解した“被吸着物質の濃度”を表します。ガス側の分圧とは直接の関係はありません。
　① ガス側から被吸収物質が吸収されるため、被吸収物質濃度は最も高い濃度（Ci）となる.
　② 被吸収物質濃度（Ci）は境膜を通して拡散し一定の濃度（C）となる。
８． 上の説明で分かるように、ガス側、液体側の両側でガス本体の被吸収物質分圧（p）、液体本体の被吸収物質濃度（C）と境界での被吸収物質分圧（pi）、被吸収物質濃度（Ci）には分圧差や濃度差が存在します。この“分圧差”や“濃度差”が境膜内での拡散、すなわち物質移動の推進力です。
９． “抵抗支配”に関して数式を全く使用せずに説明することは極めて困難です。数式を使用した説明はテキストの p19（3）ガス吸収の理論 ～ p20 (4) 抵抗支配　を参考にしてください。またこの部分の重要性は低いので、以下を暗記してください。
　① 溶解度が大きいガスの場合：“ガス側抵抗が支配的”→ 液分散形吸収装置を使用
　② 溶解度が小さいガスの場合：“液側抵抗が支配的”→ ガス分散形吸収装置を使用

• Q全文：ヘンリーに法則はどのような条件下で成立するのか詳しく知りたい。

A答え：ヘンリーの法則は、気体分子を液体に溶かすとき、押し込む圧力が2倍になれば、溶ける気体分子の量も比例して2倍になる、ということを言っています。
この法則が成り立つ条件は、以下の2つの現象の平衡が成立する範囲において、かつ、気体分子が水と反応しない場合（物理吸収の場合）です。
　(1)気体分子が水に溶ける現象
　(2)水に溶けている気体分子が再び気相に飛び出す現象
　水に溶けやすいガスの場合には、圧力を2倍、3倍と掛けるかどうかに関わらず大量に溶けますので、比例関係が成立しなくなります。また、難溶性ガスでも、圧力が高いと、(2)の気相への再放出が妨げられますので、比例関係が成立しなくなります。アンモニアや塩化水素のように、水に溶けて電離するようなガスの場合は、圧力による平衡の他に、電離平衡があるため、それぞれの平衡状態が移動するので、圧力だけの比例関係ではなくなってしまいます。
　なお、ヘンリーの法則に従わない場合のpとCの関係を、ヘンリーの法則で解釈しようとすることは出来ません。

①難溶性ガスであっても、全圧及び分圧が高い場合
ヘンリーの法則は、理論式ではなく、観察によって導き出された経験則です。
溶質がヘンリーの法則に従うような溶液を理想希薄溶液といいます。つまり希薄溶液の場合にヘンリーの法則が適用でき、高濃度溶液になるとヘンリーの法則には従わなくなります。ヘンリーの法則は、もともと液側の濃度が低いところで導かれている式です。
②また比較的溶けやすいガスでも、分圧が低い場合
　溶けやすいとは言え、分圧が低い場合は、吸収液中の濃度も低くなります。すなわち、ヘンリーの法則が適用できる濃度範囲に入ってくるということと考えて下さい。

• Q全文：ガス吸収における、分圧、温度の相関関係について

A答え：ガス吸収については、物理吸収（吸収液と化学反応を伴わない吸収）
　　①水に対して比較的溶けにくいガスの場合
　　②溶けやすいガスの場合は分圧（大気中の溶けやすいガスの圧力）が低い場合
には、次のヘンリーの法則が成り立ちます。
　　　p＝H×C
　ここに、p：溶解ガスの分圧（Pa）
C：溶解ガスの液中濃度（mol/ｍ３）
H：ヘンリー定数（Pa・ｍ３／mol）
　すなわち、ある一定の温度では、被吸収物質の圧力が上がれば吸収量は増加し下がれば減少します。
　　例：　p＝2、H＝1のとき、2＝1×C　C＝2
　　　　　p＝3　に上げると、  3=1×C　C＝3
　　　　　p＝1　に下げると、　1=1×C　C＝1
　ヘンリー定数Hは、吸収液の温度が高くなると大きくなるという性質があります。したがって、吸収液の温度をあげると、Hが大きくなり、吸収液の濃度が減少（吸収量が減少）します。
　　例：　p＝2、H＝1のとき、2＝1×C　C＝2
　　　　　p＝2、吸収液の温度上昇　H＝2に大きくなったとすると、2＝2×C　C＝1
　　　　　p＝2、吸収液の温度下降　H＝0.5に小さくなったとすると、2＝0.5×C　C＝4

• Q全文：圧力損失の意味を詳しく知りたい。

A答え：圧力損失とは、気体や液体が装置（例えば、スクラバーや充填塔など）や配管などの中を通る際に、装置や配管などの壁面との摩擦や装置の中の充填物などとの摩擦などにより失う圧力（エネルギー）のことです。装置や配管などの中を気体や液体を流すためには、この圧力損失以上の圧力（力）を気体や液体に加えてやる必要があります。圧力損失以上の力を加えてやらないと、気体や液体は装置や配管の中を流れません。 装置や配管の圧力損失は、下の式のように入口と出口の全圧の差で定義され（求められ）ます。

圧力損失＝入口での全圧－出口での全圧

例えば、装置や配管の入口側で10の圧力をかけても、装置や配管の中での圧力損失が3あれば、出口側で気体や液体が噴き出す圧力は7（10－3＝7）に減少します。 すなわち、気体や液体が装置や配管の中を通過するときは、必ず圧力損失がありますので、配管の入口である大きさの圧力をかけていても、出口側では必ずこれより低い圧力になります。気体や液体の圧力が低くなるので、圧力損失と言います。

• Q全文：定量範囲と適用濃度範囲の定義について知りたい。

A答え：種々の物質、例えばふっ素化合物の濃度を測定する方法（これを『定量方法』といいます）は一種類のみではなく複数あります。 P77 の表7-1に記載されている3種の方法は、日本工業規格（JIS）に収載されている方法です。JIS 収載の方法は個人差等の誤差が少ないあるいは制御しやすく、もちろん正確な値が得られる方法が収載されています。複数の分析方法は各々全く操作方法が異なり、検出方法も異なりますから当然分析できる濃度範囲は異なります。

これを『定量範囲』といいます。定量範囲より低濃度の場合、物質の有無を検出できなかったり正確な濃度を決定できません。逆に定量範囲よりも高濃度な対象に対しては正確な濃度の決定が困難（これを飽和現象と呼びます）になります。

　『適用濃度範囲』とは分析対象物質の濃度が適用濃度範囲内であれば、その定量方法で濃度を決定できることを示しています。

したがって、『定量範囲』と『適用濃度範囲』は基本的に同じことを表しています。しかし、あえて相違点を挙げるならば以下のようになります。

定量範囲：濃度測定対象物質を正確に定量できる濃度範囲を「測定者、測定法」側から記述したものといえます。

適用濃度範囲：濃度測定対象物質を正確に定量できる濃度範囲を「対象物質、被測定試料」側から記述したものといえます。

• Q全文：イオン調製用緩衝液とはどういうものか？詳しく知りたい。

• Q全文：イオン電極法によるふっ素イオン濃度の測定方法について詳しく知りたい。

• Q全文：空試験溶液とは、ランタンアリザリンコンプレキソン吸光光度法では空試験値を差し引かないのか詳しく知りたい。

• Q全文：分析において、試薬として「硝酸（1＋1）」を加えるなどと表記されますが、これはどういう意味でしょうか？

• Q全文：分析において、マトリックスモディファイヤーという用語が出てきますが、これはどういう意味や役割があるのでしょうか？