2018年（平成30年）本試験　化学基礎　解答解説

第1問

問1　正解　a　3　　　　　b　1

a

最外殻の電子数が 1 個の原子が、1 個の電子を失って 1 価の陽イオンになりやすいです。

1　×　ベリリウム Be は原子番号が 4 で、 2 族元素の原子です。

最外殻の電子数は 2 個なので、2 価の陽イオンになりやすいです。

2　×　フッ素 F は原子番号が 9 で、17 族元素の原子です。

最外殻の電子数が 7 個で、1 個の電子を受け取って希ガスと同じ電子配置になりやすいです。

したがって 1 価の陰イオンであるフッ化物イオン F^－ になりやすいです。

3　〇　アルカリ金属（ 1 族）の元素は、最外殻の電子数が 1 個です。そのため 1 価の陽イオンになりやすいです。

リチウム原子は、原子番号が 3 で 1 族元素です。最外殻の電子数は 1 個なので、この電子を失って 1 価の陽イオンになりやすいです。

4　×　ネオン原子は希ガスです。最外殻の電子数は 8 個で、安定な電子配置です。そのためイオンにはとてもなりにくい原子です。

5　×　酸素 O は原子番号が 8 で、16 族元素の原子です。最外殻の電子数は 6 個で、2 価の陰イオンとなりやすいです。

b

1　〇　ダイヤモンドとケイ素は、共有結合の結晶です。

ダイヤモンドは、多くの炭素原子 C が共有結合してできています。炭素原子 C の価電子は 4 なので、正四面体の頂点方向に共有結合はつながります。

そのためダイヤモンドは、正四面体形の構造を繰り返す、立体網目状の結晶となります。

ケイ素の結晶もダイヤモンドと同じように、正四面体形が繰り返された共有結合の結晶です。

ケイ素 Si は炭素と同じ 14 族の元素です。ケイ素の価電子の数も 4 個なので、ケイ素原子は 4 つの共有結合をつくっています。

2　×　ドライアイスとヨウ素は、分子間力でできた結晶（分子結晶）です。

分子が規則正しく並んでできた固体を、分子結晶といいます。

ドライアイスは二酸化炭素であり、CO₂ と表される分子です。ヨウ素は I₂ と表される分子です。

CO₂ や I₂ といった分子が、分子間力という弱い引力で規則正しく固定されると、分子結晶になります。

3　×　塩化アンモニウムはイオン結晶、氷は分子間力（水素結合）による結晶です。

塩化アンモニウム NH₄Cl は、陽イオンであるアンモニウムイオン NH₄⁺ と、陰イオンである塩化物イオン Cl^－ が静電気的な引力（クーロン力）で固定されてできたイオン結晶です。

氷は水 H₂O が冷やされて固体になったものです。水分子が規則正しく並んで固体になったものなので、氷は分子結晶です。

4　×　銅とアルミニウムは、金属結晶です。

金属の原子が規則正しく並んでできた固体を、金属結晶といいます。

銅 Cu もアルミニウム Al も金属であり、これらの原子からできた結晶は金属結晶です。

5　×　酸化カルシウムと硫酸カルシウムは、イオン結晶です。

酸化カルシウム CaO は、陽イオンであるカルシウムイオン Ca²⁺ と、陰イオンである酸化物イオン O^2－ が静電気的な引力（クーロン力）で固定されてできたイオン結晶です。

硫酸カルシウム CaSO₄ は、陽イオンであるカルシウムイオン Ca²⁺ と、陰イオンである硫酸イオン SO₄^2－ が静電気的な引力（クーロン力）で固定されてできたイオン結晶です。

問2　正解　3

ホウ素原子は原子番号が 5 の原子です。

原子番号が 5 なので、陽子の数が 5 個となり、原子核にある正の電荷は 5＋ になります。

また原子がもつ陽子と電子の数は等しいので、ホウ素原子の電子は 5 個になります。

電子が 5 個あるので、内側の電子殻から電子は収容されます。

K 殻に入る電子の最大数は 2 個なので、電子は一番内側にある K 殻に 2 個入ります。そして、その外側の L 殻に 3 個入ります。

以上より、最も適当な選択肢は③です。

問3　正解　2

窒素原子が 7 個電子を持っているので、 N₂ 分子には電子は 14 個あります。

H₂O 分子には 10 個 ( 1 × 2 + 8 ) の電子があります。

CO 分子には 14 個 ( 6 + 8 ) の電子があります。

OH^－ イオンには 10 個 ( 8 + 1 + 1 価の陰イオンなので 1 個の電子を受け取っています) の電子があります。

O₂ 分子には 16 個 ( 8 × 2 ) の電子があります。

Mg²⁺ イオンには 10 個 ( Mg は 12 個の電子を持つ原子ですが、これが 2 個の電子を失い 2 価の陽イオンになっています ) の電子があります。

問4　正解　3

1 つの X₂Z₃ 分子のなかに、X 原子が 2 個と Z 原子が 3 個あります。

そこで、化学式が X₂Z₃ で表される物質の分子量（モル質量）は、2Mx + 3Mz となります。

物質 X₂Z₃ が 5g あるとき、この物質量は

$$\frac{5[g]}{2Mx + 3Mz[g/mol]}$$

となります。

X₂Z₃ が \(\frac{5}{2Mx + 3Mz}\) [mol]あることがわかりましたが、この X₂Z₃ 1 分子には X 原子が 2 分子含まれます。

したがって、X 原子は \(\frac{5}{2Mx + 3Mz}\) × 2 [mol]あります。

X の質量は、X の物質量と X のモル質量 の積として求まります。

まとめると、X の質量は

$$\frac{5}{2Mx + 3Mz} \times 2 \times Mx [g]$$

です。

正解は③の

$$\frac{10Mx}{2Mx + 3Mz}[g]$$

問5　正解　ア　6　　　　　イ　3

ア

実験Ⅰで、アが水に溶けるかどうか確認できます。

水に溶けるのは①、②、⑤、⑥です。ほとんど溶けないのが③、④です。

実験Ⅱで炎色反応が黄色となるのは、ナトリウム（ナトリウムイオン）が含まれているためと考えられます。

また、硝酸銀水溶液を混合させて沈殿が生じるのは、塩素元素（塩化物イオン）が含まれているためと考えられます。（塩化銀 AgCl の沈殿は白色です。）

アを水に溶かすと、その水溶液にはナトリウムと塩素が含まれています。

これらより、アは塩化ナトリウム NaCl です。

イ

①～⑥の純物質のうち、水にほとんど溶けないのは炭酸カルシウム CaCO₃ と硫酸バリウム BaSO₄ です。

この 2 つの純物質のうち、弱酸の塩の炭酸カルシウムに強酸の塩酸を加えると、二酸化炭素が発生します。

（炭酸カルシウムは、弱酸の炭酸と強塩基の水酸化カルシウムの塩です。ここでは弱酸の遊離が起こり、炭酸が遊離します。炭酸は水と二酸化炭素に分解します。）

CaCO₃　+　2 HCl　　→　　CaCl₂　+　CO₂　+　H₂O

したがって、イは炭酸カルシウム CaCO₃ です。

硫酸バリウム BaSO₄ は塩酸と反応しません。

問6　正解　5

1　〇　少量の水が加熱され水蒸気となり、体積が増え袋が膨らみます。

2　〇　コップの外側に接する気体は冷やされます。水は高い温度では多くの水蒸気が気体の状態で存在しますが、低い温度では少量の水蒸気しか存在しません。このため、湿度の高い空気が冷やされ、水蒸気が水となってコップの外側につきます。

3　〇　水の融点、凝固点は 0 ℃です。（固体から液体になる温度、液体から固体になる温度は 0 ℃です。）純物質である水が融解するときは、氷が融け始めてから完全に液体になるまで 0 ℃を保ちます。

4　〇　水の沸点は 100 ℃です。（沸騰して液体から気体になる温度は 100 ℃です。）

5　×　水を凍らせると、その氷は水より体積が大きくなります。氷が水に浮くのは、氷の密度が水より小さいからです。

問7　正解　1

1　×　次亜塩素酸ナトリウム NaClO が塩素性漂白剤の主成分です。

2　〇　アルミニウムは 1 円硬貨やアルミ缶の材料です。

3　〇　銅は電気伝導性が大きい金属です。また、黄銅（真ちゅう）・青銅（ブロンズ）・白銅のように合金の材料となっています。

4　〇　Pポリ Eエチレン Tテレフタラートが、PETボトルの原料です。

5　〇　メタンは天然ガスから得られる無色無臭の気体で、都市ガスなどの燃料に利用されています。

第2問

問1　正解　1

水分子 H₂O の分子量は 18 であり、モル質量は 18 g/mol です。

したがって 180 g の水の物質量は

$$\frac{180 [g]}{18 [g/mol]} = 10 [mol]$$

であるので、10 mol となります。

水分子が 10 mol あるので、水分子の個数は 10 N 個あります。

（1 mol の水分子があると、その個数はアボガドロ数の N 個となるので。）

1　×　水分子 1 個の中に水素原子は 2 個あります。いま水分子は 10 N 個あるので、水素原子は 20 N 個です。

2　〇　水分子 1 個には、水素原子 2 個と酸素原子 1 個があります。

それぞれの原子 1 個の中に原子核 1 個があるので、水分子 1 個のなかには、原子核が 3 個あります。

いま水分子は 10 N 個あるので、原子核は 30 N 個です。

3　〇　水 1 分子の中に共有電子対は 2 対あるので、共有結合している電子は 4 個あります。

いま水分子は 10 N 個あるので、共有結合に使われている電子は 40 N 個です。

4　〇　水 1 分子内の非共有電子対は、酸素原子に 2 対あります。

いま水分子は 10 N 個あるので、非共有電子対の数は 20 N 個です。

問2　正解　2

混合気体の体積が 1.0 L で、その体積比が 2：1 なので、

メタンは 1.0 × \(\frac{2}{3}\) [L]、二酸化炭素は 1.0 × \(\frac{1}{3}\) [L]あります。

また、メタン CH₄ の分子量は 16 で、二酸化炭素 CO₂ の分子量は 44 です。

この問題では、分子量が 16 で体積が \(\frac{2}{3}\) [L] のメタンの質量と、分子量が 44 で体積が \(\frac{1}{3}\) [L] の二酸化炭素の質量の和を求めます。

0 ℃、1.013 × 10⁵ Pa の条件下では、気体 1 mol の体積は 22.4 L です。

したがって、メタンの質量は

1.0 [L] × \(\frac{2}{3}\) × \(\frac{1}{22.4[L/mol]}\) × 16 [g/mol]

同様に、二酸化炭素の質量は

1.0 [L] × \(\frac{1}{3}\) × \(\frac{1}{22.4[L/mol]}\) × 44 [g/mol]

これらの和が求める混合気体の質量です。

実際に計算すると

\(\frac{76}{67.2}\) = 1.13 ≒ 1.1

となり、②が正解です。

問3　正解　3

モル濃度とは、溶液 1 L に含まれる溶質の物質量です。単位は mol/L です。

溶液の密度と質量パーセント濃度がわかっているときは、まず 1 L の溶液の質量を求め、そこから溶質の質量を計算し、その溶質の質量をモル質量で割ることでモル濃度が求まります。

式で表すと

密度[g/cm³] × 1000[cm³/L] × \(\displaystyle\frac{質量パーセント濃度[％]}{100}\) × \(\displaystyle\frac{1}{モル質量[g/mol]}\)‥‥(A)

となります。

この問題の塩酸で計算してみると、

1.2[g/cm³] × 1000[cm³/L] × \(\frac{36.5[％]}{100}\) × \(\frac{1}{36.5[g/mol]}\) = 12[mol/L]

となります。

塩酸のモル濃度は、12 mol/L と計算できました。

他の3つの物質も、計算すれば解答できます。

ただし表を見ると、どの物質でも質量パーセント濃度とモル質量の値が同じです。

それならば、(A)式を見れば気付くように、密度が大きい物質がそのままモル濃度が一番高いとわかります。

したがって正解は、最も密度の大きい③です。

問4　正解　4

1　〇　炭酸水は弱酸性で、血液の pH の正常範囲は pH = 7.35 ～ 7.45 です。

2　〇　食酢は酸性で、牛乳はほぼ中性です。

3　〇　レモン果汁は酸性で、水道水はほぼ中性です。

4　×　セッケン水は弱塩基性で、食塩水は中性（pH = 7）です。

問5　正解　5

炭酸水素ナトリウム NaHCO₃ は、強塩基と弱酸の塩であり、弱塩基性です。

強酸である塩酸を加えていくと

NaHCO₃　+　HCl　　→　　NaCl　+　CO₂　+　H₂O

という中和反応が進みます。

滴定の途中で CO₂ が発生しており、炭酸水となるので pH は酸性側に動きます。

中和点の 25 mL を大きく超えると、強酸の 0.10 mol/L 塩酸を加えていくので、pH は 1 に近づいていきます。

まとめると、弱塩基の領域から中和滴定の操作が始まり、中和点では中性（ pH = 7 ）よりは酸性側であり、最終的に pH = 1 に近づいていきます。

当てはまる滴定曲線は⑤です。

問6　正解　2

ア　×　酢酸ナトリウム CH₃COONa は、弱酸である酢酸 CH₃COOH と強塩基である水酸化ナトリウム NaOH の塩です。（この塩を水に溶かすと、塩基性を示します。）

アの反応式は、弱酸の塩である CH₃COONa と強酸である塩酸 HCl が反応して、弱酸の CH₃COOH が遊離する反応です。

この反応では、酸化数に変化はありません。

イ　〇　一酸化炭素 CO が酸化される反応です。C の酸化数が +2 → +4 となっています。

ウ　×　金属の水酸化物 Cu(OH)₂ と、強酸である硫酸 H₂SO₄ の反応です。

Cu(OH)₂ は塩基なので、中和反応が起きて、水が生成します。

この反応では、どの原子も酸化数は変化しません。

エ　〇　マグネシウム原子が酸化され（酸化数 0 → +2）、水素原子が還元されています（酸化数 +1 → 0）。

それぞれの反応式は以下の通りです。

Mg　→　Mg²⁺　+　2e^－

2H₂O　+　2e^－　→　H₂　+　2OH^－

このように電子の受け渡しがあります。

この 2 式を足し合わせれば、エの反応式になります。

オ　×　弱塩基であるアンモニア NH₃ と強酸である硝酸 HNO₃ の中和反応です。酸化数に変化はありません。

問7　正解　4

1　〇　アルカリマンガン乾電池は、正極が酸化マンガン(Ⅳ) MnO₂ 、負極が亜鉛 Zn 、電解質水溶液が水酸化カリウム KOH です。

なおマンガン乾電池は、正極が酸化マンガン(Ⅳ) MnO₂ 、負極が亜鉛 Zn です。電解質水溶液は塩化亜鉛 ZnCl₂ で少量の塩化アンモニウム NH₄Cl が加えられている場合もあります。電解質水溶液はのり状になっています。

2　〇　鉛蓄電池は、正極が酸化鉛(Ⅳ) PbO₂ 、負極が鉛 Pb 、電解質水溶液が希硫酸 H₂SO₄ です。

3　〇　酸化銀電池は、正極が酸化銀 Ag₂O 、負極が亜鉛 Zn 、電解質水溶液が水酸化カリウム KOH などである一次電池です。

4　×　リチウムイオン電池は充電が可能な二次電池です。充電できない電池が一次電池です。