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【問題】
【難易度】★★★☆☆（普通）
\[
\begin{eqnarray}
\end{eqnarray}
\]
次の各文章の\( \ \boxed { 8\strut } \ \)～\( \ \boxed { 10\strut } \ \)の中に入れるべき最も適切な字句等をそれぞれの解答群から選び、その記号を答えよ。
(4) 燃焼排ガス中の酸素を連続測定する自動計測器において、磁気式酸素計は体積磁化率の大きい\( \ \boxed { 8\strut } \ \)の影響を無視できる場合に適用できる。
一方、排ガス中の二酸化炭素の分析において、密度法は二酸化炭素の密度が空気のそれよりも\( \ \boxed { 9\strut } \ \)ことを利用したものである。
さらに、排ガス中の窒素酸化物の分析において、化学発光方式は、共存する\( \ \boxed { 10\strut } \ \)の影響を無視できる場合、又は影響を除去できる場合に適用できる。
＜\( \ \boxed { 8\strut } \ \)～\( \ \boxed { 10\strut } \ \)の解答群＞
\[
\begin{eqnarray}
&ア& アンモニア &イ& メタン &ウ& 一酸化炭素 &エ& 二酸化炭素 \\[ 5pt ]
&オ& 一酸化窒素 &カ& 水素 &キ& 大きい &ク& 小さい\\[ 5pt ]
\end{eqnarray}
\]
【ワンポイント解説】
燃焼排ガス中の気体濃度計測器に関する知識問題です。私の経験上、こういった計測・測定に関する問題はつい丸暗記で乗り切ってしまいがちなイメージがあります。計測器の選定は、試験問題だけではなく、実務においても安全や環境面につながる大事な項目です。「なぜ、この場合はこの計測器が適しているのか？」などの疑問を持つことで、知識が定着しやすくなります。疑問をひも解き、各計測器の構造や理屈を理解するようにしていきましょう。
1.磁気式酸素計
磁気式酸素計は、酸素が持つ常時性を利用し測定します。空間中に酸素が拡散していても酸素計の磁力で引き寄せられる為、測定が可能です。また、一酸化炭素などの可燃性ガスが混在しても計測が可能です。
一方、一酸化窒素や二酸化窒素などの同じく常磁性を持つ気体が混在していると誤差が生じ、正確な測定ができなくなります。
出典：株式会社堀場製作所ＨＰ 酸素の測定方式 磁気力方式 圧力検出型(シングル磁界)
ＵＲＬ：https://www.horiba.com/jpn/process-and-environmental/technology/measurement-principle/oxygen/magnet/
2.ジルコニア式酸素計
ジルコニア式酸素計は、高温下で活性化する酸素イオンによる起電力を利用して酸素濃度を測定する計測器です。
こちらは磁気を利用していない為、一酸化窒素などの常磁性体気体の影響を受けず計測できます。
一方、一酸化炭素などの可燃性ガスが混在すると、排ガス中の酸素が消費されてしまう為、誤差が生じてしまいます。また、低温下だと酸素イオンが活性化しない為、計測できません。
出典：株式会社堀場製作所ＨＰ 酸素の測定方式 ジルコニア方式 酸素濃淡電池式
ＵＲＬ：https://www.horiba.com/jpn/process-and-environmental/technology/measurement-principle/oxygen/zirconia/#zirconia3
3.密度法（機械式二酸化炭素分析計）
密度法は、気体の密度差を利用して分析する方法です。空気室内と排ガス室内に設置してあるファンをそれぞれ回転させ、各気体密度による抵抗でのトルクを比較することで、二酸化炭素濃度を分析する方法です。
出典：環境省ＨＰ 燃焼排ガス中主要成分分析・測定法 (2)機械式二酸化炭素分析計
ＵＲＬ：https://www.env.go.jp/earth/coop/coop/document/02-apctmj1/02-apctmj1-082.pdf
4.化学発光方式
窒素酸化物とオゾンを反応させることで発光し、その光の強度を読み取ることで測定する方式です。一酸化窒素はオゾンと反応することで発光しますが、二酸化窒素は発光しない為、コンバーターを通して一旦一酸化窒素に変化させた後にオゾンと反応させます。
排ガス中に二酸化炭素が共存していると、クエンチングを引き起こし、測定に影響を与えてしまいます。クエンチングとは、発光するはずのエネルギーを奪い取ってしまう現象です。
出典：株式会社堀場製作所ＨＰ 化学発光方式 窒素酸化物(NOx)ガス分析計の構造と動作原理
ＵＲＬ：https://www.horiba.com/jpn/process-and-environmental/technology/measurement-principle/chemiluminescence/
【解答】
(8)オ
題意より解答候補は、（ア）、（イ）、（ウ）、（エ）、（オ）、（カ）、になると思います。
ワンポイント解説\( 1 \)の通り磁気式酸素計は、常磁性体である一酸化窒素の影響が無い場合に適用できます。
(9)キ
題意より解答候補は、（キ）、（ク）、になると思います。
二酸化炭素と空気のモル質量を比較します。
《二酸化炭素\( \mathrm {CO_{2} }\)》
二酸化炭素のモル質量は、炭素\( \mathrm {C}\)と酸素\( \mathrm {O_{2}}\)の分子量より、
\[
\begin{eqnarray}
\mathrm {C} + \mathrm {O_{2}} &=& 12 + 16 \times 2 \\[ 5pt ]
&=& 44 \mathrm {[ g/mol ]} \\[ 5pt ]
\end{eqnarray}
\]
《空気》
空気は主に、窒素\( \mathrm {N_{2}}\) 約\( \mathrm{ 79 \, \% } \)、酸素\( \mathrm {O_{2}}\) 約\( \mathrm{ 21 \, \% } \)で構成されてます。それぞれの原子量を基にモル質量を求めます。
\[
\begin{eqnarray}
\mathrm {N_{2}} \times 0.79 + \mathrm {O_{2}} \times 0.21 &=& 14 \times 2 \times 0.79 + 16 \times 2 \times 0.21 \\[ 5pt ]
&=& 22.12 + 6.72 \\[ 5pt ]
&=& 28.84 \\[ 5pt ]
&≒& 29 \mathrm {[ g/mol ]} \\[ 5pt ]
\end{eqnarray}
\]
以上の計算から、モル質量は二酸化炭素の方が大きいことが分かります。
よって、密度法は二酸化炭素の密度が空気よりも大きいことを利用した計測方法となります。
空気のモル質量が分からなくても、「二酸化炭素は空気より重い」ということさえイメージできていれば十分です。
(10)エ
題意より解答候補は、（ア）、（イ）、（ウ）、（エ）、（オ）、（カ）、になると思います。
ワンポイント解説\( 4 \)の通り化学発光方式は、発光時のエネルギーを奪い取る二酸化炭素の影響が無い場合に適用できます。
