型2(実在気体)は計算1回・記述3回。理屈で押さえる型です。
- a は分子間力、b は分子自身の体積 ── 記述で3回出た
- 圧縮係数の手順は対臨界に直して図表を引くだけ
- 混合気体はKayの方法(モル分率で加重平均)
型別の全体像は学識の計算は「10の型」しか出ないを参照してください。
計算1回・記述3回 ── 説明できるかが問われる
| 年度・ルート・問 | テーマ | 形 |
|---|---|---|
| R4 国試 問1 | Kayの方法・対臨界・圧縮係数 | 計算(主) |
| R4 検定 問2 | フガシティー・活量(メタン水蒸気改質) | 計算(従) |
| R6 検定 問2 | フガシティー・活量(アンモニア合成) | 計算(従) |
| R2 国試 問6(1) | vdW式を分子間力と排除体積で説明 | 記述 |
| R3 検定 問6(1) | vdW式と2つの補正項 | 記述 |
| R4 検定 問6(1) | 理想気体(とは何か) | 記述 |
計算より記述で出る型なので、vdW式の2つの補正項を文章で書けることが得点になります。
| 使う式 | 中身 |
|---|---|
| ① ファン・デル・ワールスの式 | (p + a n²/V²)(V − nb) = nRT。1 mol あたりなら (p + a/Vm²)(Vm − b) = RT |
| ② 圧縮係数 | Z = pV / (nRT) → pV = ZnRT(理想気体は Z = 1) |
| ③ 対臨界状態(換算状態) | Tr = T / Tc(対臨界温度)、pr = p / pc(対臨界圧力) |
| ④ Kayの方法(混合気体の仮臨界定数) | Tc,mix = Σ(yᵢ Tc,ᵢ)、pc,mix = Σ(yᵢ pc,ᵢ) |
フガシティー・活量は型6|化学平衡の中で出ますが、根っこはこの型です。
ファン・デル・ワールス式 ── a は圧力側、b は体積側

理想気体は①分子自身の体積はゼロ ②分子間に力が働かないと仮定しています。この2つを外したのがファン・デル・ワールスの式です。
| 補正項 | 意味 | 効く条件 |
|---|---|---|
| (V − nb):b = 分子自身の体積(排除体積) | 分子には大きさがあるので、動き回れる空間は容器の体積よりnb だけ小さい。分子が大きいほど b は大きい | 体積を小さくする=圧力を上げる方向。高圧・高密度で効く |
| (p + a n²/V²):a = 分子間力の強さ | 分子どうしは引き合うので、壁にぶつかろうとする分子が後ろの分子に引き戻され、実測圧力は本来より低く出る。極性が強い分子、分子量が大きい分子ほど a は大きい | 圧力を下げる方向。低温・中圧で効く |
| 条件 | 支配的な効果 | Z は |
|---|---|---|
| 低温・中圧 | 分子間力(a)が支配 | Z < 1(理想より縮む) |
| 高圧 | 分子体積(b)が支配 | Z > 1(理想より縮まない) |
| 高温・低圧 | どちらも小さい | Z ≒ 1(理想気体に近い) |
Z対pのグラフが最初に下がってから上がるのはこのためで、記述で問われたらこの説明を書きます。
記述の答案例 ──「排除体積」「分子間力」を必ず入れる
理想気体では、分子自身の体積をゼロ、分子間力を無視すると仮定している。実在気体ではこの2つが無視できないため、次のように補正する。
- 体積の補正 (V − nb):分子には大きさがあるため、分子が実際に動ける空間は容器の体積より nb だけ小さい。b は分子自身の体積に相当する定数(排除体積)である
- 圧力の補正 (p + an²/V²):分子間には引力が働くため、壁に衝突しようとする分子は内側の分子に引き戻され、測定される圧力は本来より低くなる。a は分子間力の強さを表す定数である
圧縮係数と対臨界状態 ── Tr・pr に直して図表を引く

ガスの種類が違っても、対臨界温度と対臨界圧力が同じなら Z がほぼ同じになる(対応状態の原理)。だから1枚の圧縮係数図(一般化圧縮係数線図)で、すべてのガスに対応できます。
- Tr = T/Tc、pr = p/pc を計算する
- 図表の Tr の曲線を選ぶ
- pr の位置で縦軸の Z を読む
- pV = ZnRT に代入する
臨界定数 Tc・pc は問題文に与えられます。
令和4年度 国家試験 問1 の流れ ── 設問がそのまま手順
- Kayの方法で、混合気体について仮臨界温度 Tc,mix と仮臨界圧力 pc,mix を計算せよ
- 仮臨界定数から対臨界温度 Tr と対臨界圧力 pr を計算し、表を使って圧縮係数 Z を求めよ
- (2)の結果の Z から、混合気体の質量を算出せよ
Kayの方法 ── モル分率で加重平均するだけ
例:メタン(Tc=190.6 K、pc=4.60 MPa)70 mol%、エタン(Tc=305.4 K、pc=4.88 MPa)30 mol% の混合気体。温度250 K、圧力6.0 MPa のときの Z を求める座標は?
Tc,mix = 0.70×190.6 + 0.30×305.4 = 133.4 + 91.6 = 225.0 K
pc,mix = 0.70×4.60 + 0.30×4.88 = 3.22 + 1.46 = 4.68 MPa
Tr = 250 / 225.0 = 1.11
pr = 6.0 / 4.68 = 1.28
→ この座標で図表を引く(この付近なら Z ≒ 0.6 前後)
落とすとしたらモル分率と質量分率の取り違えくらいです。Kayの方法は近似なので、記述で問われたら「簡便な近似法である」と添えてください。
質量を出すところまで ── Z で割るのを忘れない
n = pV / (ZRT)、m = n × M̄(M̄ はKayではなく Σ(yᵢMᵢ))
Z < 1 なら理想気体の計算より多く入る(理想気体で計算すると少なく見積もる)。逆に Z > 1 になる高圧では、理想気体の計算のほうが多く見積もります。
フガシティーは「補正された圧力」
| 圧縮係数 Z | フガシティー係数 φ | |
|---|---|---|
| 補正の対象 | 体積(状態方程式) | 圧力(化学ポテンシャル) |
| 使う場面 | 充填量・密度の計算 | 平衡定数の計算 |
| 理想気体 | Z = 1 | φ = 1 |
Z は「どれだけ入るか」、φ は「どれだけ反応したがるか」。 用途が違います。
定義は f = φ p(φ:フガシティー係数)で、理想気体なら φ = 1、つまり f = p。φ を Z から導く積分は甲種化学では問われません。 定義と意味が言えれば十分です。
本番前の確認 ── よくある失点と練習の順
| 失点 | 対策 |
|---|---|
| a と b を逆に説明する | a は圧力側、b は体積側。式の位置で覚える |
| 対臨界を計算せず、生の T・p で図表を引く | 必ず Tc・pc で割る |
| Kayの方法で質量分率を使う | モル分率 |
| Z で割り忘れる | n = pV/(ZRT)。分母にZ |
| Z と φ を混同する | Z は体積、φ は圧力(化学ポテンシャル)の補正 |
練習は、vdW式の2つの補正項を文章で説明する(最優先)→ Z < 1 と Z > 1 になる条件を説明する → Kayの方法 → 対臨界 → Z → 質量の流れを1回通す、の順です。
次は型3(蒸気圧と気液平衡)です。→ 型3|蒸気圧と気液平衡
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出典:高圧ガス保安協会『甲種化学・機械 試験問題集 令和7年度版』。令和2〜6年度の国家試験5回・技術検定5回、計60大問を筆者が型に分けて集計しました。問題文は転載せず、要約して解説しています。
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