共通テスト「化学」全問解説

第1問の解説は、こちらです。

生成熱が典型的で、プラス（発熱反応）の場合もマイナス（吸熱反応）の場合もあります。

その他にも、どちらの場合もあるものを選べということです。

この種の問題でポイントになるのは、「中和反応は発熱反応」・・・ということです。

これさえ覚えておけば、あとのものは常識から判断できます。

①：炭化水素が燃焼するので、典型的な発熱反応です。なにせ、燃焼してますからね。

　　燃焼熱は、これでもかというくらいにあたりまえに発熱反応です。

　　特に、炭化水素（有機物）の燃焼で得られるエネルギーを、人類は大いに利用してきました。

②：発熱反応です。

うすい強酸と、強塩基が反応するとき、その種類によらず、ほぼ一定の値の熱量を発します。

③：イメージしやすい（実験したことがあるかもしれない）ところでいいますと、硫酸H₂SO₄を水にとかすと熱くなりますし、硝酸アンモニウムNH₄NO₃を水にとかすと冷えますよね。

　水にとかすと水の温度が上がる物質もあるし、水の温度が下がる物質もあるということです。

生成熱と同じく溶解熱も、発熱の場合も吸熱の場合もある反応です。これが答えです。

④水で考えてみましょう。逆に固体の氷がとけるとき、これは周りから熱を奪う吸熱反応です。

ジュースに氷を入れると冷たくなりますが、あれは氷が冷たいからという理由よりも、氷（固体）が液体に変化するとき、周りから熱を奪くから・・・という理由の方が大きいです。

　氷が融解するとき周りから熱を吸収するように、液体が凝固して固体になるときは、周りに熱を発します。

液体の凝固は、発熱反応です。（エネルギー図を示そうと思いましたが、新課程の方針を見極めてからにします。）

正解：③

必ず使うでしょうから、まず、酢酸ナトリウムと硫酸の物質量を求めておきましょう。

次に、これらの物質の水溶液中でのようすをみてみます。

まず、酢酸ナトリウムですが、これは水溶液中でほとんど完全に電離します。

　CH₃COONa　→　CH₃COO⁻　＋　Na⁺

3×10⁻³〔mol〕の酢酸ナトリウムが電離し、水溶液中には、3×10⁻³〔mol〕の酢酸イオン（CH₃COO⁻）と、3×10⁻³〔mol〕のナトリウムイオン（Na⁺）が存在しています。

次に硫酸ですが、強酸なので、水溶液中で完全に電離しています。

　H₂SO₄　→　H⁺　＋　SO₄²⁻

3×10⁻³〔mol〕の硫酸が電離し、水溶液中には、3×10⁻³〔mol〕の水素イオン（H⁺）と、3×10⁻³〔mol〕の硫酸イオン（SO₄²⁻）が存在しています。

混ぜる前の状態で、CH₃COO⁻、Na⁺、H⁺、SO₄²⁻ が、それぞれ3×10⁻³〔mol〕ずつ存在しているということです。これを混合します。設問にもありますが、50mLずつあったので、合わせて100mLの水溶液になります。

　ここで、この問題のポイントです。酢酸は、弱酸でした。

弱酸はほとんど電離せず、水素イオンH⁺ を、ほとんど出さないので弱酸です。

電離式でいうと・・・

　CH₃COOH　⇄　CH₃COO⁻　＋　H⁺　・・・①

この式で、右向きの反応はあまり起こらない（酢酸のごく一部しか電離しない）ということです。

逆に、左向きの反応の方が起こりやすいです。

今、混合液の中には、CH₃COO⁻ と H⁺ が、それぞれ3×10⁻³〔mol〕ずつ存在しています。

この、ほとんどが反応して酢酸分子 CH₃COOH になっていると考えていいです。

　CH₃COO⁻　＋　H⁺　→　CH₃COOH

反応式の係数から、3×10⁻³〔mol〕の CH₃COO⁻ と3×10⁻³〔mol〕の H⁺ から、3×10⁻³〔mol〕のCH₃COOH が生じます。

　ここを出発点としてしまいましょう。水溶液中には、ナトリウムイオン Na⁺ と硫酸イオン SO₄²⁻ もありますが、これらは影響ありません。

3×10⁻³〔mol〕のCH₃COOH が 100mLの水溶液で示すpH・・・水素イオン濃度の問題と考えましょう。

（気づけなくても大丈夫ですが、水素イオン濃度を求めるということは、pHを求める問題と同じ系統の問題です。また、選択肢①の水素イオン濃度では、アルカリ性よりの中性となってしまうので、答えとしておかしいとわかりますね。）

ここからは電離定数も考えていくので、「物質量」ではなく、「モル濃度」で考えていきます。

モル濃度は１Lあたりの物質量ですが、１L あるとしたら？・・・で考えるとよいです。

今、100mL に 3×10⁻³mol なので、1L あったとしたら物質量はその10倍です。

「10」の指数の方に、10をかけましょう。

　3×10⁻³×10　＝　3×10⁻²　

よって、酢酸のモル濃度（電離する前）は、　3×10⁻²　mol/L　です。

ここで、①の反応式にもどります。

　CH₃COOH　⇄　CH₃COO⁻　＋　H⁺　・・・①

この反応の右向きの矢印がどれだけ進み、水素イオン H⁺ がどれだけ生じるかを調べれば、この問題の解答になります。

酢酸の電離度を、α（アルファ）とします。〔ホームページに入っているフォントと画像で、書体のずれがありますが、お許しください。）

電離度は「割合」にあたる値なので、全体（ここでは酢酸の物質量）に、これ（電離度）をかければ、電離する分の物質量が出ます。

反応式①より、電離した酢酸と同じ物質量（モル数）の水素イオンが生じるので、この「3×10⁻²×α」が答えそのものです。（今、１Lあたりで考えているので、水素イオンの物質量が、そのままモル濃度になります。）

αを求めればよいということになりますが、ここで与えられた電離定数を使います。

ここまでを、まとめてみましょう。下のような表をつくるといいです。

3×10⁻²という数値を、わざわざ入れるよりも、c＝3×10⁻²〔mol/L〕と表すといいです。

「電離前」、「（電離による）変化量」、「平衡状態（での濃度）」で、表の項目をつくります。

いずれも単位は、〔mol/L〕（１Lあたりの物質量）です。

酢酸は、c あるうちの cα が電離しますので、平衡状態で残っている（１Lあたりの）物質量は、c－cα ・・・ c を前にくくりだして、c（1－α）〔mol/L〕です。

また、反応式の係数から、酢酸が電離した分、それと同じ物質量だけ酢酸イオンと水素イオンが生じますので、それぞれのモル濃度は、cα〔mol/L〕です。

酢酸の電離定数（Kとします）を表す式は、それぞれのモル濃度を［CH₃COOH］、［CH₃COO⁻］、［H⁺］とすると、（そういうものだから、といってもいいのですが、電離する酢酸の割合を示すものなので、左辺の酢酸が分母にくるのは、自然ですよね）・・・

c を約分したくなりますが、ここで、少し方針を転換します。

当初は、α を求め、それを 3×10⁻²×α に代入するつもりでした。

（もちろん、当初の方針のまま c で約分しても、まったく問題なく答えは出ます。）

ここで求めたい水素イオン濃度が「cα」なので、「cα＝　　」の形に変形できた方が直接的です。

左辺の分子を「（cα）²」の形にし、後で両辺の平方根をとる方針でいきましょう。

両辺に c をかけ、左辺の分母の c は払います。

ということで、答えは 9.0×10⁻⁴ mol/L・・・③になります。

正解：③

平衡状態とは、見かけ上、反応が止まっているようにみえるだけで、実際に反応が止まっているわけでは、なかったですよね。

右向きの反応と、左向きの反応の反応速度がまったく同じになるので、反応が止まっているようにみえるだけでした。

それがわかっていれば、この問題でも、「v₁＝v₂」で、方程式をつくり、それを解けばいいだけだとわかります。選択肢の数値をみても、簡単な方程式をつくれそうだと予想できます。

求めたいものを文字でおくのが基本なので、平衡状態の〔B］のモル濃度を、「x mol/L」としましょう。

これも問2と同じように、モル濃度で考えていって大丈夫です。溶液中の反応なので、反応が進んでも体積はほとんど変わらりません。

⑴の反応式　「A　⇄　B　＋　C」の係数より、Aが１molから、BとCが、それぞれ１molから、molずつ生じるとわかります。

今、Bが x mol/L 生じた（1L あたり x mol 生じた）として考えているので、Aは x mol/L 減少しています。

まとめると、次のようになります。

〔A〕、〔B〕、〔C〕はそれぞれ　A、B、C のモル濃度であり、平衡時の反応速度 v₁、v₂は、画像の一番下、赤字で示された「平衡状態」のものを使えばよく、

これに、与えられた k₁、k₂ の値を代入し・・・

両辺を入れかえて計算を進めましょう。後は簡単な2次方程式です。

正解：①

水素貯蔵合金Ｘは、その体積の1200倍のＨ₂を貯蔵できるそうで、設問では与えられた質量のＸが貯蔵できるＨ₂の物質量が問われています。

ということは、まず必要なのはＸの体積です。ここから求めましょう。

Ｘは248ｇあり、密度が「6.2 g/㎤」と与えられています。

これを使って、体積を求めます。

求め方には、「比例式」、「単位を元にした計算」などがありますが、単位の意味（わり算の使い方）から、よりすんなり求められることをめざしましょう。（「比例式」、および「単位を元にした計算」による導出法は、解説動画の方で紹介します。）

まず、密度（g/㎤）というのは、1㎤あたりの質量のことです。

248gのＸの体積は、248gの中に、1㎤あたりの質量である6.2ｇがいくつ分あるか？・・・考えればよく、わり算で・・・

Ｌ単位に変換する必要がありますが、後からでいいでしょうね。

Ｘは、この 40㎤ の1200倍の体積のＨ₂を、含むことができるので

「40㎤×1200」・・・これが、Ｘ248gが含むことのできるH₂の体積です。

ここで、計算の工夫というまででもないですが、「0」が3つあるので、それを活かしましょう。

「0」が３つは、単位の換算に活かしやすいです。

　40㎤×1200　＝　48×10³〔㎤〕

1㎤＝1mL なので、　　　48×10³ ㎤ ＝　48×10³ mL

また、〔m〕というのは1000分の1（×10⁻³）のことなので、これをＬ単位にするには10⁻³をかければよく

　48×10³×10⁻³＝48　（・・・10³×10⁻³がちょうど1になって、消えます。）

水素の体積は、「48Ｌ」と、わかりました。

後は、これを気体の状態方程式にあてはめ、物質量を求めます。

・・・と思いましたら、これも標準状態ですね。22.4Ｌで、1molです。

たいした計算ではないので、計算してもよいです。

480÷224＝2.14......

また、この部分の比例式を使った解法も、動画の方で紹介します。

正解：④

「燃料電池」なので、水素をエネルギー源として、電気エネルギーをとり出すことは共通しています。（注：酸素は空気中に十分に存在しています。）水素を空気中の酸素と化合させるので、水が排出されます。

化学式は一般に、・・・　２H₂　＋　O₂　→　２Ｈ₂Ｏ　となります。

このことは、最初に頭に入れておきましょう。

さて、燃料型電池について考えていきますが、やはり、使われている電解質に着目するといいです。

各極での反応が、つかみやすくなります。

ここでは、リン酸が使われています。

リン酸は中程度の強さの酸で、一部が電離します。

三価の酸なので、本当は三段階に分けて電離しますが、ここでは簡単に H₃PO₄ 1つから、水素イオン H⁺ 3つと、リン酸イオン PO₄³⁻ が１つできると考えて、図に描きこんでみましょう。

すでに、水溶液中に水素イオン H⁺ が存在していることが、重要な手がかりになります。

さて、選択肢をみてみましょう。まず、ア側の電極とイ側の電極で、酸素 О₂ と水素 H₂ かの二拓です。

覚えているか覚えていないかではなく、考えればわかります。

ア側の電極から電子が出されています。

水素 H₂ と酸素 О₂ のうち、電子を出すとしたら、陽イオンになりやすい水素の方です。

ア側が水素 H₂ で、イ側が酸素 О₂ なので、これで選択肢は④～⑥にしぼられます。

（電子の流れが、ア側の極からイ側の極なので、電流の流れはア側からイ側と考えます。よって、ア側が負極で、イ側が正極となります。）

「排出される物質には未反応の物質も含まれる」という前提なので、ウからH₂、エからO₂が排出されることはわかります。選択肢も、その点はすべて満たしています。

もう少し、細かく考察する必要があるので、各極の反応を確認してみましょう。

負極での反応は次のようになります。　　　　H₂　→　２H ⁺　＋　２e⁻

水素が電子を失い陽イオンになり、水溶液中に水素イオン H⁺ となって、広がっていきます。

次に正極の反応について考えましょう。

酸素を吹き付けていますが、すでに水溶液中に水素イオンがあることがポイントです。

負極の反応以前にも、リン酸が電離した水素イオンもありましたね。

よって、吹き付けられた酸素は、水溶液中の水素イオンとむすびつき、水分子 H₂O になるだろうと考えられます。水素イオンは電子を１つ失た状態なので、電極から電子を受けとり電気的に中性になります。

反応式は次のようになります。

　O₂　＋　４H⁺　＋　４e⁻　→　２H₂O

正極では水が生成され、それがエから排出されます。よって、正解は④となります。

ポイントは、最初の段階で水溶液中に水素イオン H⁺ が存在していることです。

それをおさえておけば、各極の反応も丸覚えするより、すんなり頭に入りますし、覚えていなくても本番のテストでひねり出すことも可能ですよね。

どちらにせよ、図に描いてみることが大切です。

正解④

前問で、各極の反応を確認しました。

負極：　H₂　→　２H⁺　＋　２e⁻　・・・①

正極：　O₂　＋　４H⁺　＋　４e⁻　→　２H₂O　・・・②

電子の数を合わせ、1つの式にしましょう。

①×2＋②より・・・

　　  ２H₂　　　　　　　　　 　→　４H⁺　＋　４e⁻　　・・・③

＋）　O₂　＋　４H⁺　＋　４e⁻　→　２H₂O　　・・・④

・・・　２H₂　＋　O₂　→　２H₂O　・・・⑤　　　という反応式が得られます。

（e⁻ と H⁺ は両辺に同じ数ずつあるので、消えました。）

この反応式から、２molの水素と１molの酸素が、ちょうど反応することがわかります。

この問題も H₂  2.00mol、O₂  1.00mol なので、これで考えればよいですね。

③、④式からもわかるように、⑤の反応式は 4mol の電子がやりとりされて、この式になっています。

9.65×10⁴×４　＝　38.6×10⁴

　　　　　　　＝　3.86×10⁵

単位を利用して、〔C／mol〕に〔mol〕をかければ、〔C］を得られる、・・・と考えてもいいですね。

・・・正解は、④になります。

正解：④

第3問以降の解説はこちらです。

以上です。ありがとうございました。

コメントなどいただけると、とてもうれしいです。

執筆：井出進学塾（富士宮教材開発）　代表　井出真歩