令和4年度 問29 化学プロセス
一酸化炭素 1 kg を空気比 1.1 で完全燃焼させるときに必要な空気量 \([\mathrm{m^{3}}]\) に最も近い値はどれか。空気、一酸化炭素、燃焼ガスはともに 0 ℃、101.3 kPa の条件下にある。反応は次の式による。
$$2\mathrm{CO} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\mathrm{CO_2}$$ただし、空気中の酸素濃度、窒素濃度はそれぞれ 21.0 vol%、79.0 vol% とし、1 mol 当たりの質量は、C：12 g/mol、O：16 g/mol とする。
空気比とは、燃料を完全に燃焼させるために理論的に必要な空気量（理論空気量）と実際に燃焼用として送り込まれた空気量との比です。燃焼において酸素が足りない状態だと不完全燃焼となり CO が発生してしまうため若干空気比を 1 より高めに設定します。
一酸化炭素の分子量は 28 です。1 kg では \(1{,}000/28 = 35.7\) mol です。一酸化炭素 1 kg（35.7 mol）に対して必要な酸素の量は \(35.7 \div 2 = 17.9\) mol です。標準状態（0 ℃、1 気圧）のとき気体は 22.4 L/mol であるため、必要な酸素の量は \(17.9\ \mathrm{mol} \times 22.4\ \mathrm{L/mol} = 401\ \mathrm{L}\)（\(0.401\ \mathrm{m^{3}}\)）です。
空気中の酸素濃度、窒素濃度はそれぞれ 21.0 vol%、79.0 vol% であることから、\(0.401\ \mathrm{m^{3}} \times 100/21 = 1.9\ \mathrm{m^{3}}\) の空気が必要だと分かります。空気比を 1.1 に設定しているため、空気量は \(1.9\ \mathrm{m^{3}} \times 1.1 = 2.1\ \mathrm{m^{3}}\) となります。