岩手医科大学 化学 全問題・超分かりやすい解答・解説

「単体」なのか「元素（化合物やイオンの構成成分）」なのかを見分けるには、「具体的な化学式（$\text{O}_2$、$\text{N}_2$、$\text{C}$ など）に置き換えて、その物質の性質（気体、金属、導電性など）が成り立つか」を考えるのが鉄則です！

• × ア（元素）： 食塩水（$\text{NaCl}$ 水溶液）中ではナトリウムイオン $\text{Na}^+$ として存在しています。もし単体の金属ナトリウム $\text{Na}$ が入っていたら水と爆発的に反応してしまいます。
• × イ（元素）： 地殻中の岩石や砂は、主に二酸化ケイ素（$\text{SiO}_2$）やケイ酸塩などの化合物として存在しており、構成成分（元素）としての割合を指しています。
• ○ ウ（単体）： 大気（空気）は、窒素分子 $\text{N}_2$（約 $78\%$）や酸素分子 $\text{O}_2$（約 $21\%$）という気体の単体の混合物です。
• ○ エ（単体）： 電気分解の電極として実際に使っている黒鉛（グラファイト）などの炭素の単体 $\text{C}$ を指しています。

• 空欄 A について： 同位体（例：$^1\text{H}$、$^2\text{H}$、$^3\text{H}$）は、陽子の数（＝原子番号）と電子の数が同じですが、中性子の数が異なるため質量数（原子の質量）が異なります。一方、最外殻電子の配置が同じなので化学的性質はほとんど同じです。よって イ が入ります。
• 空欄 B について： 中性子の数が違うため粒子としては「異なる原子」ですが、原子番号（陽子数）が同じグループに属するため「同じ種類の元素」です。よって エ が入ります。

• 空欄 ア について： 第4周期（$\text{K}$ 〜 $\text{Kr}$）からは、典型元素（8個）に加えて3族〜12族の遷移元素（10個）が入るため、配置される元素の数は $8 + 10 = \mathbf{18}$ 個になります。
• 空欄 イ について： 電子殻は内側から順に第1周期＝K殻、第2周期＝L殻、第3周期＝M殻、第4周期＝N殻、第5周期＝O殻 に対応します。第4周期の銅（$\text{Cu}$）の最外殻がN殻なので、その1つ下の第5周期である銀（$\text{Ag}$）の最外殻電子は O殻 に存在します。

物理・化学の基本定数（普遍定数）か、それとも温度に依存して変化する値かを判定します。

• ○ ア（一定）： アボガドロ定数 $N_{\text{A}}$（$1\text{ mol}$ あたりの粒子数 $= 6.02 \times 10^{23}\text{ /mol}$）は定義された普遍定数なので、温度によらず一定です。
• ○ イ（一定）： 気体定数 $R$（$= 8.31 \times 10^3\text{ Pa}\cdot\text{L/(K}\cdot\text{mol)}$）も普遍定数であり、温度が変化しても値は一定です。
• × ウ（変化する）： 反応速度定数 $k$ は、温度が高くなると熱運動が激しくなり急激に大きくなる値です（温度に依存します）。
• × エ（変化する）： 水の電離（$\text{H}_2\text{O} \rightleftarrows \text{H}^+ + \text{OH}^-$）は吸熱反応なので、温度が上昇すると電離平衡が右へ移動し、水のイオン積 $K_{\text{w}}$ が大きくなります。すると純水中の $[\text{H}^+] = \sqrt{K_{\text{w}}}$ も大きくなるため、純水の $\text{pH}$ は $7$ より小さくなります（$25^\circ\text{C}$ のときだけ $\text{pH} = 7$）。

したがって、温度によらず一定に保たれるのは ア と イ の 2つ（②） です。

密閉容器内に封入されたネオンの質量を $w\text{ [g]}$、体積を $V\text{ [L]}$、モル質量を $M\text{ [g/mol]}$ とすると、密度 $d\text{ [g/L]}$ は $d = \dfrac{w}{V}$ です。

六方最密構造（B）の「図に示された六角柱全体」と「単位格子（四角柱）」の違いを突いた超重要ひっかけ問題です！

• ○ ①（正しい）： 図1の通り、Aは面心立方格子、Bは六方最密構造、Cは体心立方格子です。
• ○ ②（正しい）： 最密構造であるA（面心立方格子）とB（六方最密構造）の配位数はともに 12、C（体心立方格子）の配位数は 8 です。
• × ③（誤り）：
  • A（面心立方格子）の単位格子中の原子数：$\dfrac{1}{8}\times 8\text{（頂点）} + \dfrac{1}{2}\times 6\text{（面心）} = \mathbf{4\text{ 個}}$（正しい）
  • C（体心立方格子）の単位格子中の原子数：$\dfrac{1}{8}\times 8\text{（頂点）} + 1\text{（体心）} = \mathbf{2\text{ 個}}$（正しい）
  • B（六方最密構造）について：図1のBに描かれている正六角柱の中には確かに $6\text{ 個}$ の原子が含まれていますが、この正六角柱は単位格子が3個集まったものです！六方最密構造の本来の単位格子（底面がひし形の四角柱）に含まれる原子数は $2\text{ 個}$ です。したがって「Bの単位格子には6個」という記述が誤りです。
• ○ ④（正しい）： A（面心立方格子＝立方最密構造）とB（六方最密構造）は、ともに充填率 $74\%$（$\dfrac{\sqrt{2}\pi}{6}$）の最密構造です。

表紙の定数一覧にある「$31.6^\circ\text{C}$、$1.013 \times 10^5\text{ Pa}$ における気体のモル体積 $= 25.0\text{ L/mol}$」と「アボガドロ定数 $N_{\text{A}} = 6.0 \times 10^{23}\text{ /mol}$」を使って、アとイの物質量 $[\text{mol}]$ をそれぞれ計算します。

よって、$\text{ア }(1.2\text{ mol}) > \text{イ }(0.60\text{ mol})$ となり、① が正解です。

「還元剤として働く」とは、相手を還元し、自分自身の酸化数が増加する（酸化される）物質のことです。

• × ア（中和反応）： $\text{H}_2\text{S}$ の $\text{S}$ の酸化数は $-2 \rightarrow -2$（$\text{BaS}$）で変化していません。これは酸と塩基の中和反応であり、酸化還元反応ではありません。
• × イ（酸化還元ではない）： ニクロム酸イオン $\text{Cr}_2\text{O}_7^{2-}$（$\text{Cr}$ の酸化数 $+6$）が塩基性でクロム酸イオン $\text{CrO}_4^{2-}$（$\text{Cr}$ の酸化数 $+6$）に変わる反応であり、どの原子の酸化数も変化していません。
• ○ ウ（還元剤）： $\text{SO}_2$（$\text{S}$ の酸化数 $+4$）が、反応後に $\text{SO}_4^{2-}$（$\text{S}$ の酸化数 $+6$）へと酸化数が増加しています。したがって $\text{SO}_2$ は還元剤として働いています。
• ○ エ（還元剤）： $\text{KI}$ 中の $\text{I}^-$（$\text{I}$ の酸化数 $-1$）が、オゾン $\text{O}_3$ によって酸化され、単体の $\text{I}_2$（$\text{I}$ の酸化数 $0$）へと酸化数が増加しています。したがって $\text{KI}$ は還元剤として働いています。

• ○ ア（正）： 氷（水の固体結晶）では、中心の1個の水分子が正四面体の頂点方向に位置する他の4個の水分子と水素結合を作り、すき間の多い立体網目構造をとっています。
• × イ（誤）： 「分散媒」と「分散質」という言葉が逆になっています！
  ・分散媒（溶媒にあたる周囲の空間）： 気体状態の空気
  ・分散質（溶質にあたる細かい粒子）： 液体（水滴）あるいは固体（氷の粒）状態の水
  雲や霧は、気体（分散媒）の中に液体や固体（分散質）が分散したコロイド（エアロゾル）です。

• ○ ア（正）： 炭素の同素体（ダイヤモンド、黒鉛、フラーレン、カーボンナノチューブ）のうち、黒鉛（グラファイト）やカーボンナノチューブ（構造による）は不対電子が自由に動けるため電気伝導性をもっています。
• ○ イ（正）： フラーレン $\text{C}_{60}$ は炭素原子60個からなる球状分子であり、その結晶は分子間力で集まった分子結晶です。分子間で電子が自由に移動できないため、単体のフラーレン $\text{C}_{60}$ には電気伝導性がありません（絶縁体・半導体）。

• ○ ア（正）： 一酸化窒素 $\text{NO}$ や二酸化窒素 $\text{NO}_2$ などの窒素酸化物は $\text{NO}_x$（ノックス）と総称され、大気中で硝酸 $\text{HNO}_3$ などに変化するため、硫黄酸化物（$\text{SO}_x$）とともに酸性雨や光化学スモッグの原因物質になります。
• × イ（誤）： 二酸化窒素（$\text{NO}_2$）は赤褐色の刺激臭のある気体です。（無色の気体は一酸化窒素 $\text{NO}$ や四酸化二窒素 $\text{N}_2\text{O}_4$ です）

• × ア（誤）： 「塩酸」とは気体の塩化水素（$\text{HCl}$：純物質）を水（$\text{H}_2\text{O}$）に溶かした水溶液のことです。したがって、希塩酸であろうと濃塩酸（質量パーセント濃度 約 $37\%$）であろうと、水と塩化水素が混ざった混合物に分類されます。
• × イ（誤）： 塩酸（$\text{Cl}^-$）を加えると、銀イオン $\text{Ag}^+$ と反応して塩化銀（$\text{AgCl}$）の白色沈殿が生成します（$\text{Ag}^+ + \text{Cl}^- \rightarrow \text{AgCl}\downarrow$）。

• ○ ア（正）： 水酸化カルシウム $\text{Ca(OH)}_2$ の慣用名は消石灰であり、その飽和水溶液は石灰水とよばれます。（酸化カルシウム $\text{CaO}$ は生石灰）
• ○ イ（正）： 炭酸カルシウム $\text{CaCO}_3$ は、石灰石、大理石、方解石、貝殻、サンゴなどとして天然に多量に存在します。

• ○ ア（正）： アルミニウム $\text{Al}$ は両性金属（$\text{Al}, \text{Zn}, \text{Sn}, \text{Pb}$）であるため、酸だけでなく強塩基（$\text{NaOH}$ 水溶液など）とも反応して水素ガス（$\text{H}_2$）を発生します。
  反応式：$2\text{Al} + 2\text{NaOH} + 6\text{H}_2\text{O} \rightarrow 2\text{Na}[\text{Al(OH)}_4] + 3\text{H}_2\uparrow$
• ○ イ（正）： アルミニウムの原料鉱石であるボーキサイト（主成分 $\text{Al}_2\text{O}_3\cdot n\text{H}_2\text{O}$）から純粋なアルミナ（$\text{Al}_2\text{O}_3$）を取り出し、氷晶石に溶かして溶融塩電解（ホール・エルー法）することで単体の $\text{Al}$ が製造されます。

• ○ ア（正）： 金（$\text{Au}$）はすべての金属の中で展性（薄く広がる性質）・延性（細長く伸びる性質）が最も大きく、金箔などに加工されます。（※ちなみに電気伝導性・熱伝導性が最も大きいのは銀 $\text{Ag}$ です）
• × イ（誤）： 金や白金を溶かす「王水」は、濃硝酸と濃塩酸を体積比 $1:3$ で混合したものです！「濃硝酸と濃硫酸との混合物（混酸）」には溶けません。ひっかからないように注意しましょう。

まず、与えられた6種類の化合物の構造と特徴を整理します：

• a 窒素原子（$\text{N}$）を含むもの 17：
  アミラーゼ（タンパク質）、塩化ベンゼンジアゾニウム、グリシン（アミノ酸） の 3個（③） です。
• b 分子内にカルボキシ基（$-\text{COOH}$）をもつもの 18：
  アミラーゼ（タンパク質のC末端や酸性アミノ酸側鎖）、グリシン の 2個（②） です。
• c 分子内にビニル基（$-\text{CH}=\text{CH}_2$）をもつもの 19：
  スチレン のみの 1個（①） です。
• d 分子内にアルデヒド基（ホルミル基 $-\text{CHO}$）をもつもの 20：
  ガラクトース（鎖状構造） と ギ酸エチル（$\text{H}-\text{CO}-\text{OC}_2\text{H}_5$） の 2個（②） です。
  ※ギ酸およびギ酸エステルは、分子内にホルミル基（$-\text{CHO}$）の構造をもつため還元性を示すことが入試の最頻出ポイントです！

• × ア（誤）： 一般式 $\text{C}_n\text{H}_{2n-2}$ は「不飽和度が $2$」の炭化水素を表します。これには三重結合を1つもつ「アルキン」、環1つと二重結合1つをもつ「シクロアルケン」だけでなく、二重結合を2つもつ鎖状炭化水素「アルカジエン（ジエン）」（例：1,3-ブタジエン $\text{CH}_2=\text{CH}-\text{CH}=\text{CH}_2$）や、環を2つもつ炭化水素なども含まれます。したがって「のみである」は誤りです。
• ○ イ（正）： プロパン（$\text{C}_3\text{H}_8$）の完全燃焼の化学反応式を書くと、
  $$\text{C}_3\text{H}_8 + \mathbf{5}\text{O}_2 \longrightarrow 3\text{CO}_2 + 4\text{H}_2\text{O}$$ となるため、プロパン $1\text{ mol}$ に対して酸素は $5\text{ mol}$ 必要です。

• × ア（誤）： アセトン（$\text{CH}_3-\text{CO}-\text{CH}_3$）は極性をもつカルボニル基（$>\text{C}=\text{O}$）と小さなメチル基2つからなるため、水とも有機溶媒とも任意の割合でよく混ざり合います（両親媒性）。二層に分離しません。
• ○ イ（正）： クメン法の最終段階です。クメン（イソプロピルベンゼン）を空気酸化して得られるクメンヒドロペルオキシドを希硫酸で酸分解すると、フェノールとともに副生成物としてアセトンが得られます。

• ○ ア（正）： ガラクトースとフルクトースはともに分子式 $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$ の単糖類ですが、ガラクトース（およびグルコース）は鎖状構造でアルデヒド基をもつアルドースであるのに対し、フルクトースはケトン基をもつケトースです。原子のつながり方（官能基の種類と位置）が異なるため、互いに構造異性体の関係にあります。（※なお、グルコースとガラクトースは立体異性体です）
• ○ イ（正）： 二糖類であるラクトース（乳糖）を希酸や酵素（ラクターゼ）で加水分解すると、グルコースとガラクトースが $1:1$ で生じます。

• × ア（誤）： 天然のタンパク質は、その種類によって構成する $\alpha$-アミノ酸の種類・数（含有割合）・配列順序（一次構造）がすべて異なります（たとえばコラーゲンにはグリシンが約3分の1も含まれますが、トリプトファンはほとんど含まれないなど）。すべて同じ割合（$5.0\%$ ずつ）で含まれているわけではありません。
• ○ イ（正）： タンパク質は多数の $\alpha$-アミノ酸が縮合重合したポリペプチドなので、分子中には必ずアミド結合（ペプチド結合：$-\text{CO}-\text{NH}-$）が含まれています。