危険物乙4の物理化学 計算問題の解き方と頻出パターン

物理化学10問の出題傾向

乙4試験の物理化学10問は、次のテーマから出題されます。

• 燃焼の三要素・燃焼の種類（表面燃焼・分解燃焼・蒸発燃焼）
• 引火点・発火点・沸点・蒸気比重・燃焼範囲（爆発限界）
• 消火の原理（冷却・窒息・抑制）
• 静電気の発生と帯電
• 熱の伝わり方（伝導・対流・輻射）
• 計算問題（ボイルの法則・シャルルの法則・燃焼計算・危険度・蒸気比重）

計算問題は毎回1〜3問程度出題されます。複雑な計算は少なく、公式に数字を当てはめれば解けるものがほとんどです。

ボイルの法則とシャルルの法則

ボイルの法則（温度一定・圧力と体積の関係）

温度が一定のとき、気体の体積（V）と圧力（P）は反比例します。

P1 × V1 ＝ P2 × V2（温度一定）

例題：1気圧で体積1Lの気体を、2気圧にすると体積は何Lになるか？

解法：1 × 1 = 2 × V2 → V2 = 0.5L

シャルルの法則（圧力一定・温度と体積の関係）

圧力が一定のとき、気体の体積（V）は絶対温度（T：ケルビン温度）に比例します。

V1 / T1 ＝ V2 / T2（圧力一定）
T（ケルビン）＝ 273 ＋ 摂氏温度（℃）

例題：0℃（273K）で体積1Lの気体を27℃（300K）にすると体積は何Lになるか？

解法：1/273 = V2/300 → V2 = 300/273 ≒ 1.098L

試験では「温度が上がると体積は増える」「0℃を273K（絶対零度）と換算する」という点が出ます。

ボイル・シャルルの法則（温度も圧力も変化する場合）

温度と圧力が両方変化する場合はボイル・シャルルの法則を使います。

P1 × V1 / T1 ＝ P2 × V2 / T2

例題：0℃・1気圧で体積10Lの気体を27℃・2気圧にすると体積は何Lになるか？

解法：(1 × 10) / 273 = (2 × V2) / 300 → V2 = (1 × 10 × 300) / (273 × 2) ≒ 5.49L

この計算パターンが出題された場合、落ち着いて公式に当てはめれば解けます。

蒸気比重の計算

蒸気比重は「物質の分子量 ÷ 29（空気の平均分子量）」で求められます。

蒸気比重 ＝ 分子量 ÷ 29

空気の平均分子量は約29（窒素N2：28・酸素O2：32の混合物の平均）です。

例題：ベンゼン（分子量78）の蒸気比重はいくらか？

解法：78 ÷ 29 ≒ 2.69（≒2.7）

試験では計算式を書かせるのではなく「蒸気比重が1以上なら空気より重く低所に滞留する」という結論が問われることが多いです。ただし計算で確認するパターンも出ます。

物質	分子量	蒸気比重（÷29）
ガソリン（平均）	100〜110	3〜4
ベンゼン（C6H6）	78	2.7
アセトン（C3H6O）	58	2.0
エタノール（C2H6O）	46	1.6
二硫化炭素（CS2）	76	2.6

燃焼範囲（爆発限界）と危険度

可燃性蒸気が燃焼するためには、空気中の蒸気濃度が「燃焼範囲（爆発限界）」の中にある必要があります。

• 燃焼下限界（LEL）：これより薄いと燃えない（可燃性蒸気が不足）
• 燃焼上限界（UEL）：これより濃いと燃えない（酸素が不足）

危険度の計算：危険度は燃焼範囲の広さと上限・下限の位置で判断します。

危険度 ＝ （燃焼上限界 − 燃焼下限界）÷ 燃焼下限界

この計算式では「燃焼下限界が低く・燃焼範囲が広い」ほど危険度が大きくなります。

例：ガソリンの燃焼範囲（1.4〜7.6vol%）の場合、危険度 = (7.6-1.4)/1.4 = 6.2/1.4 ≒ 4.4

試験では「燃焼範囲が広いほど・燃焼下限界が低いほど危険度が高い」という定性的な理解が主に問われます。

比熱と熱量の計算

物質の温度を上げるのに必要な熱量の計算です。

熱量Q（J） ＝ 質量m（g） × 比熱c（J/g・℃） × 温度差ΔT（℃）

例題：比熱4.2J/g・℃の水100gを20℃から100℃まで加熱するのに必要な熱量は何Jか？

解法：Q = 100 × 4.2 × (100-20) = 100 × 4.2 × 80 = 33,600J

この計算は乙4試験でそのまま出題されることは少ないですが、「熱量計算の基本公式」として押さえておくと物理化学全般に応用できます。

燃焼の計算（有機化合物の完全燃焼）

アルコール類や炭化水素の完全燃焼反応式が出題されることがあります。

エタノールの完全燃焼：

C2H5OH ＋ 3O2 → 2CO2 ＋ 3H2O

この反応式では「酸素が3モル必要」「二酸化炭素が2モル生成」「水が3モル生成」という係数が重要です。試験では「エタノール1モルを完全燃焼させるのに何モルの酸素が必要か」→「3モル」という問いが出ることがあります。

ガソリン（オクタン：C8H18）の完全燃焼：

C8H18 ＋ 12.5O2 → 8CO2 ＋ 9H2O

燃焼計算は「炭素はCO2に・水素はH2Oに・硫黄はSO2になる」という基本を覚えれば係数が分かります。

燃焼範囲（爆発限界）の品目別一覧

乙4試験でよく出る危険物の燃焼範囲を整理します。燃焼下限界が低く・燃焼範囲が広いほど危険度が高くなります。

危険物	燃焼下限界（vol%）	燃焼上限界（vol%）	燃焼範囲の幅
ガソリン	1.4	7.6	6.2
アセトン	2.5	12.8	10.3
ジエチルエーテル	1.9	48.0	46.1（非常に広い）
二硫化炭素	1.3	44.0	42.7（非常に広い）
エタノール	3.3	19.0	15.7

ジエチルエーテル（燃焼上限界48%）と二硫化炭素（燃焼上限界44%）は燃焼範囲が非常に広く危険度が高い危険物です。これらは特殊引火物として第4類の中でも最も危険な区分に属します。

物理化学10問の全体チェックリスト

物理化学10問で得点するための最終確認チェックリストです。

• □ 燃焼の三要素（可燃物・酸素・熱源）を言える
• □ 表面燃焼・分解燃焼・蒸発燃焼の違いを言える
• □ 引火点・発火点・沸点の定義を区別できる
• □ 蒸気比重の計算（分子量÷29）ができる
• □ 燃焼範囲（爆発限界）・危険度の計算ができる
• □ ボイルの法則（P1V1=P2V2）を使える
• □ シャルルの法則（V1/T1=V2/T2・ケルビン換算）を使える
• □ 熱の伝わり方（伝導・対流・輻射）を区別できる
• □ 静電気の発生条件と防止策を言える
• □ 消火の3原理（冷却・窒息・抑制）と代表的な消火剤を言える

この10項目をすべて押さえれば物理化学10問で7〜8問以上の正解が期待できます。

燃焼の三要素と消火の原理（物化の基礎）

燃焼が起こるには「可燃物・酸素・熱源（点火源）」の3要素が必要です（燃焼の三要素）。消火はこのうちのひとつを取り除くことです。

燃焼の要素	消火方法	代表的な手段
可燃物を取り除く	除去消火	危険物を別の場所に移す・ガスを止める
酸素を取り除く	窒息消火	CO2・泡・砂で覆う・ふたをする
熱源を取り除く	冷却消火	水・水噴霧で冷やす
（連鎖反応を止める）	抑制消火（負触媒）	粉末・ハロゲン化物消火剤

試験では「第4類危険物に棒状注水が禁止な理由」→「飛散させるため」、「粉末消火の主な消火原理」→「抑制消火」という問いに答えられれば得点できます。

熱の伝わり方の計算（伝導・対流・輻射）

物理化学では熱の伝わり方も出題されます。計算というより「種類の区別」として問われます。

• 熱伝導：固体の中を熱が伝わる。鉄の鍋が熱くなるのがこれ。熱伝導率が高い金属は熱が伝わりやすい
• 熱対流：液体・気体（流体）が動きながら熱を運ぶ。熱い空気が上に行くのがこれ
• 熱輻射（放射）：電磁波（赤外線）で熱が伝わる。太陽の熱が地球に届くのがこれ。真空中でも熱が伝わる

試験では「真空中でも熱が伝わる現象は何か」→「熱輻射（放射）」、「液体・気体の流れで熱が伝わる現象は何か」→「対流」という問いが出ます。

静電気と危険物取り扱いの関係

静電気は第4類危険物の取り扱い時に引火の点火源になります。物理化学の問題として「静電気の発生条件と防止策」が出題されます。

• 静電気は絶縁性の高い物質（プラスチック・ゴム）が摩擦や流動で帯電して発生する
• 液体の流速が速いほど静電気が発生しやすい（流体摩擦）
• 防止策：接地（アース）・静電気防止服・流速を制限・湿度を高める（湿気で電気が逃げる）

試験では「静電気の防止策として適切でないものはどれか」→「絶縁体の手袋を着用する（逆に帯電する）」という問いに答えられるようにしましょう。正しい防止策は「接地・流速制限・静電気防止服」です。

計算問題対策のコツ

乙4の物理化学計算問題で確実に得点するためのコツをまとめます。

1. 公式を書き出す：問題文を読んで何の公式を使うか特定し、まず公式を書き出す
2. 単位を確認する：ケルビン（K）と摂氏（℃）の変換、体積の単位を統一する
3. 問題の条件を整理：「何が変化して・何が一定か」を明確にしてから計算する
4. 選択肢を活用：乙4は選択式（5択）なので、概算で正解を絞り込める

計算ミスで落とすのは非常にもったいないため、落ち着いて手順を踏むことが大切です。

試験で確認しておくポイント

• ボイルの法則：P1V1 = P2V2（温度一定）
• シャルルの法則：V1/T1 = V2/T2（圧力一定）。温度はケルビン（℃+273）
• 蒸気比重：分子量÷29
• 危険度：（上限界−下限界）÷下限界
• 熱量：Q = m×c×ΔT
• 燃焼下限界が低く燃焼範囲が広いほど危険度大

まとめ

乙4の物理化学計算問題は、ボイルの法則・シャルルの法則・蒸気比重計算・危険度計算・熱量計算の5パターンが中心です。公式を覚えて数字を代入するだけで解けるものがほとんどです。選択式なので概算でも対応できます。試験前に各公式を一通り確認して、計算練習を2〜3回こなしておくと自信を持って臨めます。