この教材で学ぶこと
到達目標
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NOとNO₂の性質を区別できる
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NOxが窒素酸化物の総称であることを説明できる
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NOが空気中でNO₂に酸化されることを説明できる
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窒素酸化物が酸性雨の原因になることを説明できる
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窒素酸化物が光化学スモッグに関係することを説明できる
前提知識
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硝酸と硝酸塩
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気体の性質
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酸化還元
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大気汚染の基礎
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酸・塩基の基礎
1
窒素酸化物とは
窒素酸化物とは、窒素 N と酸素 O からなる化合物の総称です。
高校化学で特に重要なのは、一酸化窒素 NO と二酸化窒素 NO₂ です。
NOやNO₂などをまとめて NOx と表すことがあります。
NOxは大気汚染、酸性雨、光化学スモッグなどの環境問題と関係します。
硝酸の反応や自動車の排気ガスの話ともつながる重要な内容です。
代表的な窒素酸化物
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化学式
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名称
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色・特徴
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重要ポイント
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NO
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一酸化窒素
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無色
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空気中で酸化されてNO₂になる
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NO₂
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二酸化窒素
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赤褐色
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有毒。酸性雨や光化学スモッグに関係
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N₂O
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一酸化二窒素
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無色
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発展：温室効果ガスとしても知られる
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NOx
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窒素酸化物の総称
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NO、NO₂など
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大気汚染物質として重要
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確認ポイント
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NOが一酸化窒素であることを答えられる
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NO₂が二酸化窒素であることを答えられる
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NOxが窒素酸化物の総称であることを説明できる
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2
一酸化窒素 NO
一酸化窒素 NO は、無色の気体です。
NOは硝酸と銅の反応で発生することがあります。
特に希硝酸と銅の反応では、主にNOが発生します。
NOは空気中の酸素 O₂ と反応して、二酸化窒素 NO₂ になります。
NOそのものは無色ですが、空気中でNO₂に変化すると赤褐色が見えることがあります。
NOからNO₂への酸化
2NO + O₂ → 2NO₂
無色のNOが酸素と反応し、赤褐色のNO₂になります。
銅と希硝酸の反応
3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O
希硝酸では主に無色のNOが発生します。
NOのポイント
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項目
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内容
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化学式
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NO
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名称
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一酸化窒素
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色
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無色
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発生例
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銅と希硝酸の反応
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重要反応
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空気中でNO₂に酸化される
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例題：NOは空気中で何に変化するか。
答え：NO₂
NOは空気中の酸素と反応し、2NO + O₂ → 2NO₂ によりNO₂になります。
確認ポイント
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NOが無色の気体であることを答えられる
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NOが空気中でNO₂になることを説明できる
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銅と希硝酸の反応でNOが発生することを理解している
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3
二酸化窒素 NO₂
二酸化窒素 NO₂ は、赤褐色の有毒な気体です。
刺激臭をもち、吸い込むと危険です。
濃硝酸と銅の反応では、主にNO₂が発生します。
NO₂は水と反応して硝酸 HNO₃ などを生じます。
この性質が、酸性雨の原因の一つになります。
銅と濃硝酸の反応
Cu + 4HNO₃ → Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O
濃硝酸では赤褐色のNO₂が発生します。
NO₂と水の反応
3NO₂ + H₂O → 2HNO₃ + NO
NO₂が水と反応し、硝酸を生じます。酸性雨の理解につながります。
NO₂のポイント
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項目
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内容
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化学式
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NO₂
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名称
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二酸化窒素
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色
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赤褐色
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毒性
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有毒
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発生例
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銅と濃硝酸の反応
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環境問題
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酸性雨、光化学スモッグに関係
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注意：NOは無色、NO₂は赤褐色です。この違いは非常に重要です。
注意：NO₂は有毒なので、実験では吸い込まないように注意が必要です。
確認ポイント
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NO₂が赤褐色の気体であることを答えられる
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NO₂が有毒であることを説明できる
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銅と濃硝酸の反応でNO₂が発生することを理解している
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4
NOとNO₂の比較
NOとNO₂は、硝酸の反応や環境問題でセットで出題されます。
NOは無色の気体で、空気中で酸化されてNO₂になります。
NO₂は赤褐色の有毒な気体です。
濃硝酸と銅の反応ではNO₂、希硝酸と銅の反応ではNOが主に発生します。
気体の色と反応条件をセットで整理しましょう。
NOとNO₂の比較
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項目
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NO
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NO₂
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名称
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一酸化窒素
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二酸化窒素
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色
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無色
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赤褐色
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毒性
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有毒
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有毒
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硝酸との関係
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希硝酸と銅で発生しやすい
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濃硝酸と銅で発生しやすい
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空気中での変化
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O₂と反応してNO₂になる
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大気中で酸性雨などに関係
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例題：NOとNO₂の色をそれぞれ答えよ。
答え：NOは無色、NO₂は赤褐色。
硝酸と銅の反応や気体の性質で頻出の区別です。
例題：希硝酸と銅の反応で主に発生する窒素酸化物は何か。
答え：NO
希硝酸では主に無色の一酸化窒素NOが発生します。
例題：濃硝酸と銅の反応で主に発生する窒素酸化物は何か。
答え：NO₂
濃硝酸では主に赤褐色の二酸化窒素NO₂が発生します。
確認ポイント
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NOとNO₂の色を区別できる
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濃硝酸と希硝酸で発生する気体を区別できる
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NOが酸化されてNO₂になることを説明できる
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5
NOxの発生源
NOxは、燃焼によって発生することがあります。
空気中には窒素 N₂ と酸素 O₂ が含まれています。
通常の温度では窒素は反応しにくいですが、高温では窒素と酸素が反応してNOを生じることがあります。
自動車のエンジンや工場の燃焼設備では高温燃焼が起こるため、NOxが発生する原因になります。
発生したNOは空気中でNO₂に酸化され、大気汚染につながります。
高温でのNO生成
N₂ + O₂ → 2NO
高温条件で空気中の窒素と酸素が反応し、NOが生じることがあります。
NOの酸化
2NO + O₂ → 2NO₂
NOが空気中で酸化され、NO₂になります。
NOxの主な発生源
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発生源
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理由
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自動車の排気ガス
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エンジン内の高温燃焼でNOxが発生する
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工場の燃焼設備
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燃料の燃焼時に高温となる
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火力発電所
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燃焼によってNOxが発生することがある
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雷などの自然現象
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高温でN₂とO₂が反応することがある
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確認ポイント
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NOxが燃焼によって発生することを説明できる
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高温でN₂とO₂からNOが生じることを説明できる
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自動車や工場がNOxの発生源になることを理解している
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6
窒素酸化物と酸性雨
窒素酸化物は、酸性雨の原因物質の一つです。
NO₂などの窒素酸化物は、大気中の水や酸素と反応して硝酸 HNO₃ などを生じます。
硝酸が雨水に溶けると、雨水の酸性が強くなります。
このようにして、通常より酸性の強い雨が降る現象を酸性雨といいます。
酸性雨は、森林、湖沼、建造物、金属、石灰岩などに影響を与えることがあります。
NO₂から硝酸ができる反応の一例
3NO₂ + H₂O → 2HNO₃ + NO
NO₂が水と反応して硝酸を生じます。酸性雨の原因になります。
NO₂、O₂、水から硝酸ができる反応のイメージ
4NO₂ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃
大気中で窒素酸化物が酸化され、水と反応して硝酸を生じるイメージです。
酸性雨への流れ
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段階
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内容
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1
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燃焼などでNOxが発生する
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2
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NOが空気中でNO₂になる
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3
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NO₂が水や酸素と反応してHNO₃を生じる
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4
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HNO₃が雨水に溶けて酸性雨になる
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例題：窒素酸化物が酸性雨の原因になる理由を簡単に説明せよ。
答え：大気中で硝酸を生じ、雨水に溶けて酸性を強くするため。
NO₂などは水や酸素と反応してHNO₃を生じ、酸性雨の原因になります。
確認ポイント
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NOxが酸性雨の原因になることを説明できる
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NO₂からHNO₃が生じることを理解している
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酸性雨の影響を説明できる
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7
光化学スモッグ
光化学スモッグは、窒素酸化物や炭化水素などが太陽光を受けて反応し、有害な物質を生じる大気汚染現象です。
自動車の排気ガスなどに含まれるNOxが関係します。
太陽光の作用でオゾン O₃ などの光化学オキシダントが生成します。
光化学オキシダントは、目やのどへの刺激、植物への被害などを引き起こすことがあります。
夏の晴れた日など、日差しが強く風が弱い条件で問題になりやすいです。
光化学スモッグのポイント
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項目
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内容
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原因物質
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NOx、炭化水素など
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必要な条件
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太陽光
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生じる物質
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オゾンO₃などの光化学オキシダント
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影響
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目やのどへの刺激、植物への被害
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起こりやすい条件
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日差しが強く、風が弱い日
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注意：光化学スモッグは、単に煙が多い現象ではなく、太陽光による化学反応で有害物質が生じる現象です。
注意：NOxは酸性雨だけでなく、光化学スモッグにも関係します。
確認ポイント
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光化学スモッグにNOxが関係することを説明できる
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光化学オキシダントの代表例としてオゾンO₃を知っている
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光化学スモッグが太陽光と関係することを説明できる
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8
NOxの低減
NOxは大気汚染の原因になるため、排出量を減らす工夫が行われています。
自動車では、排気ガス中のNOx、一酸化炭素 CO、未燃焼の炭化水素などを減らすために触媒が使われます。
このような装置では、NOxを窒素 N₂ に還元したり、COをCO₂に酸化したりします。
工場や発電所でも、燃焼条件の調整や排ガス処理によってNOxを減らします。
化学反応を利用して環境への影響を小さくすることは、工業化学でも重要です。
NOの還元のイメージ
2NO → N₂ + O₂
NOxを無害な窒素に戻す考え方です。実際の処理では触媒や還元剤が関係します。
COの酸化のイメージ
2CO + O₂ → 2CO₂
有毒なCOをCO₂に酸化します。
NOx低減の考え方
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方法
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内容
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触媒による排ガス浄化
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NOxをN₂に近づけ、COや炭化水素も処理する
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燃焼条件の調整
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高温になりすぎないようにしてNOx生成を抑える
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排ガス処理
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工場や発電所でNOxを除去・低減する
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交通対策
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自動車排ガスを減らす
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確認ポイント
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NOxの排出量を減らす必要がある理由を説明できる
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触媒による排ガス浄化の考え方を説明できる
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NOxをN₂に近づける処理があることを理解している
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9
硫黄酸化物との比較
酸性雨の原因物質としては、窒素酸化物 NOx だけでなく、硫黄酸化物 SOx も重要です。
SO₂やSO₃などの硫黄酸化物は、大気中で硫酸 H₂SO₄ などを生じ、酸性雨の原因になります。
NOxは硝酸 HNO₃、SOxは硫酸 H₂SO₄につながると整理すると覚えやすいです。
どちらも化石燃料の燃焼や工業活動と関係します。
環境問題では、NOxとSOxをセットで問われることがあります。
NOxとSOxの比較
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項目
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NOx
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SOx
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主な物質
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NO、NO₂など
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SO₂、SO₃など
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関係する酸
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硝酸 HNO₃
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硫酸 H₂SO₄
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環境問題
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酸性雨、光化学スモッグ
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酸性雨
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主な発生源
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高温燃焼、自動車、工場など
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硫黄を含む燃料の燃焼など
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覚え方
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NOx → HNO₃
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SOx → H₂SO₄
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例題：NOxとSOxのうち、硝酸につながるのはどちらか。
答え：NOx
NO₂などの窒素酸化物は大気中で硝酸HNO₃を生じ、酸性雨の原因になります。
例題：SOxは主に何という酸につながるか。
答え：硫酸 H₂SO₄
硫黄酸化物は大気中で酸化・水和され、硫酸につながります。
確認ポイント
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NOxとSOxを比較できる
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NOxがHNO₃、SOxがH₂SO₄につながることを説明できる
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酸性雨の原因物質を複数答えられる
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10
安全面での注意
NO₂は赤褐色の有毒な気体で、吸い込むと危険です。
硝酸と金属の反応では、NOやNO₂などの窒素酸化物が発生することがあります。
実験で赤褐色の気体が見えた場合でも、直接吸い込んではいけません。
ドラフト内で操作し、保護メガネや手袋を着用する必要があります。
環境化学では、人体への影響と環境への影響の両方を考えることが大切です。
窒素酸化物の注意点
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物質
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注意点
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NO
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無色だが、空気中でNO₂になる
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NO₂
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赤褐色の有毒気体。吸入しない
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NOx
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大気汚染、酸性雨、光化学スモッグに関係
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硝酸と金属の反応
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NOやNO₂が発生することがある
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確認ポイント
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NO₂を吸い込んではいけない理由を説明できる
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硝酸と金属の反応で窒素酸化物が発生することを理解している
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実験ではドラフトや保護具が必要だと理解している
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11
テストでの出題パターン
窒素酸化物と環境問題では、NOとNO₂の色、NOxの意味、酸性雨、光化学スモッグがよく出題されます。
NOは無色、NO₂は赤褐色という区別は必ず覚えましょう。
NOは空気中で酸素と反応してNO₂になります。
NO₂は水や酸素と反応して硝酸を生じ、酸性雨の原因になります。
NOxは光化学スモッグにも関係し、太陽光の作用でオゾンなどの光化学オキシダントが発生します。
例題：NOの色を答えよ。
答え：無色
一酸化窒素NOは無色の気体です。
例題：NO₂の色を答えよ。
答え：赤褐色
二酸化窒素NO₂は赤褐色の有毒な気体です。
例題：NOが空気中で変化する反応式を書け。
答え：2NO + O₂ → 2NO₂
NOは空気中の酸素によって酸化され、NO₂になります。
例題：NOxが酸性雨の原因になる理由を答えよ。
答え：大気中で硝酸を生じ、雨水に溶けるため。
NO₂などは水や酸素と反応してHNO₃を生じ、酸性雨の原因になります。
例題：光化学スモッグに関係する大気汚染物質として代表的なものを答えよ。
答え：NOx
NOxは太陽光の作用で光化学オキシダントの生成に関係します。
確認ポイント
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NOとNO₂の色を区別できる
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NOxの意味を説明できる
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NOがNO₂に酸化される反応を書ける
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NOxと酸性雨の関係を説明できる
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NOxと光化学スモッグの関係を説明できる
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NOxとSOxを比較できる
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