高校化学 水上捕集の問題について質問です。ふたまた試験管に希硫酸と亜鉛を入れて反応させ、発生した気体Xを、中を水で満たして倒立させたメスシリンダー内に捕集した。十分に時間が経過した後、メスシリンダーの外側と内側の液面をそろえてから，メスシリンダーの目盛りを読んで捕集した気体の体積を測定した。また、大気圧および水温も測定し、その水温における飽和蒸気圧を調べた。その結果は以下のようになった。メスシリンダー内の気体の体積：249mL水温：27°C大気圧：1.016✕105Pa飽和蒸気圧：3.6✕103Paこの実験で発生した気体Xの物質量は何molか。この問題の解き方について教えてください。また、Zn + H₂SO₄ → MgSO₄ + H₂という化学反応式なのの、メスシリンダーの中にあるのが水素だけではなく、水素と水蒸気にの混合気体なのはどうしてなのか教えていただきたいです。

この実験では、亜鉛と希硫酸の反応により水素が発生します。

Zn + H₂SO₄ → ZnSO₄ + H₂

発生した気体は水上置換で捕集されているため、
メスシリンダー内の気体は「水素と水蒸気の混合気体」である。
したがって、水素の分圧を用いて物質量を求める。

水素の分圧は
P(H₂) = 大気圧 − 水蒸気の飽和蒸気圧
= 1.016×10⁵ − 3.6×10³
= 9.80×10⁴ Pa

気体の体積は
249 mL = 2.49×10⁻⁴ m³

温度は
27 ℃ = 300 K

理想気体の状態方程式 PV = nRT より，
n = PV / RT
= (9.80×10⁴ × 2.49×10⁻⁴) / (8.3 × 300)
≈ 9.8×10⁻³ mol

〔答〕
発生した気体 X（水素）の物質量は
9.8×10⁻³ mol となります。

「なぜ水蒸気が混ざるのか」
水は蒸発する：水面がある場所では常に少しずつ水が蒸発して気体になります。
↓
平衡で決まる：同じ温度・場所にあると、蒸発と凝縮がつり合って水蒸気の圧力が一定（飽和蒸気圧）になります。
↓
倒立メスシリンダーの中も同じ：メスシリンダーを水中で倒しても内部は水面と気相がある「湿った空間」だから、水蒸気が必ず存在して、その分の圧力（飽和蒸気圧）を与えます。
↓
だから純粋なH₂にはならない：発生するのが水素でも、水蒸気が“上乗せ”されるので内部は混合気体になります。