令和 5 年度 次世代の科学技術を担う人材育成事業

福岡県

高校生科学技術コンテスト
ファーストステージ

化学
解答解説

受験番号氏名

所属校名

福岡県教育委員会

963680̲福岡̲化学kk̲cc19.indd 1

2023/06/09 10:40

第１問…2×（1＋3）＝8 個

M 殻（s 軌 道 1 個，p 軌 道 3 個，d 軌 道【出題のねらい】

5 個）…2×（1＋3＋5）＝18 個

化学における基本的な事象を題材とし，正誤問題や計算問題，記述式問題などの様々な問題を用いて，基礎知識や計算力の確認をするとともに，思考力や判断力を総合的に問う問題を出題した。と求められる。なお，f 軌道は 7 個の軌道からなるため，N 殻には 32 個の電子が収容される。
⑵

ケイ素 Si の原子番号は 14 であるから，電子の数は 14 個である。K 殻には 2 個，
【解答】

L 殻には 8 個，M 殻には 4 個の電子が収

問１ ⑴

エ

容されるため，最外殻は M 殻であり，最⑵あ…M，い…4外殻電子の数は 4 個である。

⑶

う…貴ガス（希ガス），え…正（＋）

問２ ⑴
問３

問５

価電子を 1 個もつ原子は，価電子を 1イ個失って，貴ガス（希ガス）と同じ電子配⑵80 ％置をもつイオンになりやすい。電子は負の⑴①チンダル現象

電荷をもつため，正の電荷をもつイオン②

ブラウン運動（陽イオン）が生じる。

③

溶媒分子が熱運動することによ

問２り，コロイド粒子に不規則に衝突⑴するため。

（臨界点）以上にしたときに生じる状態の⑵問４⑶① MgCl2

ことで，液体と気体の区別がつかなくなっ②た状態のことである。この状態の物質を超塩析

⑴

硬化油⑵

３種類

⑴

ペプシン…イ，アミラーゼ…ア，⑵超臨界状態とは，物質をある温度・圧力臨界流体とよぶ。
ア

物質が，液体と固体が共存する状態となるのは，融点である。

トリプシン…ウイ

正しい。

最適 pH…イウ

二酸化炭素を超臨界状態にするに理由…図７より，pH5.0 付近でゾルの相対粘度が最も下がっており，よエ

二酸化炭素を一定の圧力のもとで冷り多くのゼラチンが分解されている

却すると，気体から液体，固体へと変と考えられるため。

化する。
圧力〔

問１

よって，電子殻に収容される電子の最大数は，5.15

三重点個ずつ電子が収容される。

固体〕
×105 Pa

原子のもつ電子軌道には，それぞれ 2

液体

臨界点

超臨界流体

73.5

【解説】
⑴

は，高温・高圧の条件にすればよい。

気体

－56.3
31
温度〔℃〕
二酸化炭素の状態図

K 殻（s 軌道 1 個）…2×1＝2 個
L 殻（s 軌道 1 個，p 軌道 3 個）
─ 2 ─963680̲福岡̲化学kk̲cc19.indd 22023/06/09 10:40与えられた反応式より，無水カフェイン動する現象をブラウン運動とよぶ。限と過塩素酸は物質量比１：１で反応するか

外顕微鏡による観察では，光がコロイら，抽出によって得られたカフェインの質ド粒子に当たり散乱し，粒子の位置や量を m〔g〕とすると，中和反応の量的関係運動のようすが光点として観察される。

⑵

③より，

ブラウン運動は，熱運動している溶m20.6×1＝0.100××1
194.2
1000

媒分子が，コロイド粒子に不規則に衝

m＝0.400 gイド粒子に比べて小さいため，結果的突するために起こる。溶媒分子はコロもとのコーヒー豆 50.0 g のうちカフェイにコロイド粒子が運動しているようにンは 1.00 ％含まれていたので，求める割見える。
⑵

合は，

①

にがりは，海水を煮詰め，析出した塩化ナトリウムなどの結晶を取り除く

0.400×100＝80%
50.0×0.01

ことによってつくられる。塩化マグネ
シウムを多く含んでおり，豆腐を作る

なお，本問では簡単のためにカフェイン際に利用されている。と過塩素酸からカフェインと過塩素酸のイ②オン対が生じる反応式のみ示したが，酢酸親水コロイドの粒子は，多くの水分溶液中では，カフェインと過塩素酸がそれ子と水和しているため，コロイド粒子ぞれ次のように解離している（カフェインどうしは直接接触しにくい。また，コを B と表している）。

ロイド粒子がそれぞれ同種の電荷を帯B ＋ CH3COOH

びており，静電気的に反発するため水⇄ BH＋ ＋ CH3COO－溶液中で分散している。ここに多量のHClO4 ＋ CH3COOH

電解質を加えると，水和している水分⇄ CH3COOH2＋ ＋ ClO4－子が電解質と水和するようになる。まアセトニウムイオン CH3COOH2 （酢酸とた，コロイド粒子のもつ電荷が中和さH＋ が溶媒和により結び付いたもの）と酢れるため，コロイド粒子どうしが反発酸イオン CH3COO の中和反応が進行す力を失って集まり，沈殿する。この現ることにより，カフェインと過塩素酸から象を塩析という。一方，疎水コロイド

イオン対 BH ClO4 が生じる。の場合は少量の電解質を加えたとき，

CH3COOH2＋ ＋ CH3COO－

コロイド粒子が反発力を失って集まり＋－＋B ＋ HClO4－⇄ 2CH3COOH沈殿する。この現象は凝析（凝結）とBH＋ClO4－いう。
問４

問３
⑴

①

セッケンや水酸化鉄（Ⅲ）などのコ⑴液体状の油脂（脂肪油）に，ニッケルをロイド溶液に横からレーザー光を当て触媒として高温で水素を付加させると，常ると，光の軌道が観察されるが，これ温で固体の油脂に変化する。これを硬化油

はコロイド粒子に光が当たり散乱（ミという。

ー散乱）することが原因である。この⑵リノール酸 C17H31COOH はシス型の炭素間二重結合（C＝C 結合）を 2 個もち，現象をチンダル現象とよぶ。
② コロイド粒子が溶液中で不規則に運炭素鎖に枝分かれのない脂肪酸である。リ─ 3 ─963680̲福岡̲化学kk̲cc19.indd 32023/06/09 10:40

ノール酸と同じ示性式で表され，同じ位置と考えられる。に炭素間二重結合をもち，炭素鎖に枝分かれのないトランス脂肪酸は，二重結合のシス型・トランス型の組み合わせによって，理論上①シス型－トランス型，②トランス型－シス型，③トランス型－トランス型の3 種類があると考えられる。構造は次のようになる。

HH

C

C

H
CH2

C

CH（3 CH2）
4C

H

（CH2）
7COOH

リノール酸 C17H31COOH

H
H

C

C

H
CH2

C

CH（3 CH2）
4C

（CH2）
7COOH

H

①シス型－トランス型

H
CH（3 CH2）
4CC

H
CH2HCC

H（CH2）
7COOH②トランス型－シス型

HCH（3 CH2）
4C

CHHCH2C

C（CH2）7COOH

H③トランス型－トランス型
問５⑴

図５より，ペプシン…最適 pH は 2 前後であり，胃で分泌される胃液に多く含まれる（イ）。
アミラーゼ…最適 pH は 7 前後であり，口で分泌される唾液に多く含まれる（ア）。
トリプシン…最適 pH は 8 前後であり，膵臓で分泌される膵液に多く含まれる（ウ）。
⑵

図７で相対粘度が最も小さくなっている

pH5.0 付近では，ブロメラインが最もよくはたらき，ゼラチンの分解が進んでいる─ 4 ─963680̲福岡̲化学kk̲cc19.indd 42023/06/09 10:40

第２問て水素原子の数が 8 個少ないから，不飽
和度は 8 ÷ 2＝4【出題のねらい】

問４

芳香族化合物を題材として，その発見と構造の決定までの歴史を下敷きに，高校で学ぶ有機化学と大学で学ぶ有機化学の橋渡しになるような発展的な問題を用いて，思考力や判断力を総合的に問う問題を出題した。

ア ベンゼンは常温・常圧では液体であるが，極性をもたないため水に溶けにくい。
イ

ベンゼン分子は炭素を多く含むため，空気中では不完全燃焼が起こりやすく，黒いすすを発生する。

【解答】

ウ

ベンゼンのもつ炭素原子間の結合

問１ （炭素：水素）12：1

は，二重結合と単結合の中間の状態で

問２2.7 倍あり，自由に回転することはできな

問３4い。

問４

エエが高いため，特殊な条件を除いて付加Br

問５＋ Br2正しい。ベンゼン環は構造の安定性＋ HBr

反応が起こりにくい。
問５

適切な触媒を用いてベンゼンと臭素を反応させると，一置換体であるブロモベンゼ

問６⑴ンが生じる。この反応を臭素化という。

または
問６⑵ 10 種類

ナフタレンはベンゼンとは異なり，ナフ5 種類タレン中の炭素間の結合は結合長がすべて⑴ C19H12同等というわけではない。ナフタレンの共⑵ 6鳴構造は以下の３種類がある。ナフタレン⑶
問７⑴の炭素原子に番号を下の図のように C1～【解説】

C8 とつけると，C1－C2，C3－C4，C5－

問１

C6，C7 －C8 間の結合長は約 1.36 Å，そベンゼンに含まれている炭素原子と水素原子の数は等しいため，炭素と水素の質量のほかの結合長は約 1.42 Å である。

比は，12：1 である。
問２

アボガドロの法則より，同温・同圧・同7体積の気体中に含まれる気体分子の総物質

6量は，物質の種類にかかわらず等しくなる

8

15423から，1 mol あたりの質量を比較する。ベンゼン C6H6 は 12×6＋1.0×6＝78 g
空気は窒素 N2 を 80 ％，酸素 O2 を 20 ％は，α －置換体と β －置換体の 2 種類があの割合で含むから，14×2×0.80＋16×2×0.20＝28.8 g
よって，
問３ナフタレンの一置換体 C10H7X の異性体⑵る。同種の置換基をもつ二置換体 C10H6X2
は，α －置換体に対して 7 種類，β －置換

78＝2.70…＝2.7 倍28.8

体に対しては重複を除いた 3 種類があり，ベンゼン C6H6 はヘキサン C6H14 に比べ異性体は全部で 10 種類となる。

─ 5 ─963680̲福岡̲化学kk̲cc19.indd 52023/06/09 10:40

問７X

⑴

X

オリンピセンは 2012 年のロンドンオリンピックに際し，イギリスの Warwick 大学で合成が確認された分子であり，分子式は C19H12 である。

α－置換体
⑶

β－置換体

⑵

ベンゼン環が４つつながった分子

C18H12 のうち，ベンゼン環の一辺のみを分子の対称性に注意すると，オリンピセン自身を含めて６種類の構造異性体が考えられる。

共有するものには，直線状のテトラセンと，折れ曲がったもの 3 種類，枝分かれをもつ 1 種類の計 5 種類の異性体がある。

テトラセン

ベンゾアントラセン

ベンゾフェナントレン

クリセン

トリフェニレン─ 6 ─963680̲福岡̲化学kk̲cc19.indd 6

2023/06/09 10:40

第３問

x＋y＋0.10＝32.00 ……②①，②より，x＝30.72 g，y＝1.18 g【出題のねらい】

よって，粗銅中の Cu の含量は身近な無機化合物の性質や反応などを題材と30.72
×100＝96.0 %32.00

し，実験問題なども用いて，無機化学全般についての理解度とともに思考力や判断力を総合的【解説】に問う問題を出題した。

問１

あ…立方体の頂点と面の中央に原子が位【解答】置しているので，この結晶格子は面心問１ あ…面心立方，い…イオン化傾向

立方格子である。

問２ ⑴ 4 個

問３い…水溶液中で金属が陽イオンになろう⑵

4πMR2ha3NAとする性質を金属のイオン化傾向とい⑴王水オンになりやすく，還元力が強い。

い，これが大きいほど金属単体は陽イ⑵ Cu ＋ 4HNO3

金，銀，銅は水素よりイオン化傾向がCu（NO3）2 ＋ 2NO2 ＋ 2H2O小さいので，これらの金属単体は水素⑶ Au ＋ HNO3 ＋ 3HCl

イオンを還元することができない。
問２

AuCl3 ＋ NO ＋ 2H2O

問４⑷

イ⑸

え…塩化物，お…AgCl（塩化銀）⑴ウ⑵Pt，Au⑴

心には⑶ 96%

1個分の原子がそれぞれ 8 個，62

子数は

Cu2＋ ＋ 2e－ とCu2＋NiNi11×8＋ ×6＝4 個
82＋ 2e である。
－⑵

一方，陰極で起こる反応はCu

1個分の，面の中8個存在するから，単位格子中に存在する原（導出過程）陽極で起こる反応は，2＋単位格子の頂点には＋ 2e－Cu である。

金箔の質量を x〔g〕とする。金箔は底面の半径 R〔m〕，高さ h〔m〕の円柱とみな

この電解槽を流れる電子の物質量は，せるので，体積は π×R2×h＝πR2h〔m3〕

陰極で析出した Cu の物質量の 2 倍で単位格子は面心立方格子だから，含まれる32.00×2＝1.0 mol である。
64

原子の個数は 4 個であり，体積は a3〔m3〕あるからであるから，物質量と体積の比は反応した Cu を x g，Ni を y g とする

x4：πR2h＝：a3MNAと，電子の物質量について，xy×2＋×2＝1.0 ……①6459

よって，x＝また，反応せずに沈殿した Pt と Au

問３の質量の合計が 0.10 g であるから，⑴陽極の質量変化について，4πMR2h〔g〕
a3NA

濃硝酸と濃塩酸を 1：3 の体積比で混合した混合物を王水という。電子基板中の金─ 7 ─963680̲福岡̲化学kk̲cc19.indd 72023/06/09 10:40

続する電極が陰極である。

を溶解するには，王水のほか，シアン化物を含んだ溶液や，ヨウ素－ヨウ化物溶液な⑵

銅の電解精錬では，陽極の粗銅に含まれどが利用できる。王水は廃液の環境への負ている銅 Cu が銅（Ⅱ）イオンとして溶け荷が比較的小さく，原材料のコストも低い。

だし，硫酸銅（Ⅱ）水溶液中に含まれる銅⑵

銅は還元剤として，濃硝酸は酸化剤とし（Ⅱ）イオンが陰極側の純銅表面に析出すてはたらく。各物質は以下のように反応する。このとき，電圧を低く抑えることで，る。

陽極に含まれる銅よりイオン化傾向の小さ
2＋（還元剤） Cu

Cu＋ 2e ……①－

い金属は酸化されずに，単体のまま陽極側（酸化剤） HNO3 ＋ H＋ ＋ e－の底に沈殿する。この沈殿を陽極泥とよNO2 ＋ H2O ……②び，本問の陽極泥は白金 Pt と金 Au から①式＋②式×2 として e－を消去するとなる。なお，銅よりイオン化傾向が大きい

Cu ＋ 2HNO3 ＋ 2H＋金属の単体は陽極側で酸化されて陽イオン

Cu2＋ ＋ 2NO2 ＋ 2H2Oとなるが，電圧が低いため，陰極側で還元両辺に 2NO3 を加えて整理するとされずに，イオンのまま水溶液中に残るこ－Cu ＋ 4HNO3とになる。本問ではニッケル Ni が該当す

Cu（NO3）2 ＋ 2H2O ＋ 2NO2る。
⑶となる。
⑶ 【反応１】，【反応２】の反応式を参考に，①式＋②式として中途生成物の NOCl と陽極では Cu と Ni の２種類の金属が溶けだすことに注意する。導出過程は解答に示した。

Cl2 を消去すると
Au ＋ HNO3 ＋ 3HCl
AuCl3 ＋ NO ＋ 2H2Oとなる。
⑷

還元性をもつのはイのシュウ酸のみである。シュウ酸の還元剤としてのはたらきを表す反応式は

H2C2O4

2CO2 ＋ 2H＋ ＋ 2e－となる。
⑸

銀は強い酸化力をもつ酸である硝酸や王水によって酸化されるが，酸化によって生じた銀イオンが王水に含まれる塩化物イオンと反応し難溶性の塩（塩化銀 AgCl）を生じる。この塩が銀の単体の表面を覆ってしまうため，それ以上反応が進行しなくなる。
問４⑴

銅の電解精錬では，粗銅を陽極，純銅を陰極として電気分解を行う。なお，外部電源の正極と接続する電極が陽極，負極と接─ 8 ─963680̲福岡̲化学kk̲cc19.indd 82023/06/09 10:40

第４問

⑶

水は，１気圧（1.013×105 Pa）において，温度に応じて，固体→液体→気体と変【出題のねらい】

化する。そのため，水の三重点の圧力は熱化学方程式やエンタルピー，エントロピーなどを題材とし，基本的な知識と計算力を確認するとともに，理論化学に対する思考力や判断力を問う問題を出題した。

1.013×105 Pa よりも低い。したがって，【解答】

以下の圧力においては，物質は固体か気体

問１ ⑴

問２

水の三重点における圧力は二酸化炭素の三重点における圧力よりも小さくなることがわかる。なお，一般に，ある物質の三重点の状態でのみ存在する。

Ｘ：融解，Ｙ：凝縮，Ｚ：昇華⑵－56.5 ℃⑶

イ⑴6CO2（気）＋6H2O（液）＝問２⑴

この反応の反応式は，6CO2 ＋ 6H2O

C6H12O6（固）＋6O2（気）－2810 kJ

C6H12O6 ＋ 6O2

286 kJ/molである。反応熱はエネルギー図より 2810

問３ ∆U：ウ，W：イ，Q：ア

kJ/mol の吸熱反応であるから，求める熱問４ ⑴

化学方程式は，⑵

問５正（＋，プラスなども可）

6CO2（気）＋ 6H2O（液）＝

⑵

ウ

⑶

783 kJ/mol⑷－43.6 kJ⑴

反応：自発的に進行する

ら，6CO（気）＋6H2O（液）の状態に変化す2

理 由： ∆Gr＝－7.68 kJ/mol と 求 めるときの反応熱は，＋ 6O（気）－2810 kJ
C6H12O（固）62⑵ 6CO（気）＋6H（気）＋3O（気）の状態か2221270 ＋ 2810 － 2364 ＝ 1716（kJ）

ることができ，ギブズエネルギーのこの反応は水素 6 mol の燃焼反応である変化の値が負となるため。
2⑵ 6.5×10 K

から，求める水素の燃焼熱は，1716 ×

【解説】
問１

問３

1＝ 286（kJ/mol）
6

温度が変化しないため，内部エネルギー物質の状態が，固体から液体に変化するは変化しない（∆U＝0）。また，体積が増ことを融解，気体から液体に変化すること加しているため，気体が外部に仕事をするを凝縮，固体から液体を経ずに気体に変化（W ＜ 0）
。よって，外部に仕事をした分することを昇華という。の熱量を吸収する（Q ＞ 0）。

⑴

状態図から，二酸化炭素が液体となると

問４

きの最低の温度は－56.5 ℃であることが⑴⑵読み取れる。

キシリトールを含む食品を口に含むと，冷涼感を感じることから，キシリトールの水への溶解は吸熱反応であることがわかる。したがって，エンタルピーの変化量∆ H の符号は正である。

─ 9 ─963680̲福岡̲化学kk̲cc19.indd 92023/06/09 10:40

⑵エンタルピーの定義より，

エネルギー図を記すと，

H ＋ ∆H＝（ U ＋ ∆U ）＋（ P ＋ ∆P （） V ＋ ∆V ）Na＋（気）＋Cl（気）＝U ＋ ∆ U ＋ PV ＋ ∆ P･V＋ P ∆ V ＋ ∆ P･∆ V
ここで，H ＝ U ＋ PVであるから∆ H ＝ ∆ U ＋ ∆ P･V ＋ P∆ V＋ ∆ P･∆ V

498 kJ/mol

356 kJ/mol
Na＋（気）＋Cl－（気）Na（気）＋Cl（気）11
Na（気）＋ Cl（気）243× kJ/mol
2221
109kJ/mol（固）＋（気）Na
Cl2
Q〔kJ/mol〕
2

また， ∆ U ＝ Q － P∆ Vであり， 微小量ど

410 kJ/mol
NaCl（固）うしの積は無視できるため，∆ H ＝ Q ＋ ∆ P･V
さらに，定圧変化であることを考慮すると，となる。よって，∆ P ＝ 0であるから，次の式を得る。

Q ＝ 498＋121.5＋109＋410－356∆H ＝ Q
⑶＝ 782.5＝ 783（kJ/mol）

各反応を反応式で示すと次のようになる。
⒜ Na（固）＋⑷1Cl2（気）
2NaCl（固）∆ H ＝ －410（kJ/mol）
⒝

Na（気）

⒞

Cl（気）＋ e－－Na（固）Cl2（気）

式を整理すると次のようになる。
与えられた条件より，∆ H ＝ －46.1 kJ でCl （気）あり，一定温度のもとでの反応なので，反－Na（気）∆ H ＝ 109（kJ/mol）⒠

ここで，状態方程式 PV ＝ nRT より，上∆ H ＝ 498（kJ/mol）∆ H ＝ －356（kJ/mol）⒟∆ H ＝ ∆ U ＋ ∆ PV

∆ U ＝ ∆ H － ∆ nRT

Na （気）＋ e＋

H ＝ U ＋ PV より，

2Cl（気）

応前後の物質量が，（1 mol －）1 3＋mol＝－1（mol）
2 2と変化するから，∆ H ＝ 243（kJ/mol）∆ nRT ＝ －1×8.31×T＝ －8.31 T（J）

NaCl（固）Na＋（気）＋ Cl－（気）∆ H ＝ Q〔kJ/mol〕

である。よって，内部エネルギーの変化量∆ U は，∆ U ＝－46.1－（－8.31）×298×10－3＝－43.6（kJ）

─ 10 ─963680̲福岡̲化学kk̲cc19.indd 102023/06/09 10:40

問５⑴

与えられた表のデータより，標準反応エンタルピー ∆ Hr，標準反応エントロピー∆ Sr はそれぞれ，∆ Hr ＝∆ H（f HI）－－

∆ Sr ＝Sm（HI）－

1∆ H（f I2）2√c（1－a）× √c（1－a）
2a1－a

ここで，a＝0.8 を代入すると K ＝ 8 であるから，－∆ Gr ＝ 2.303RT log10K は

1Sm（I2）2－∆ Hr ＋T・∆ Sr＝ 2.303RT log10Kとなる。この式に，各値を代入すると，

4.7＋T × 0.010

11×0－ ×62.4
2
2＝ 2.303×8.31×10－3×T×0.90
以上より，T ＝ 6.5×102（K）を得る。

＝ －4.70（kJ/mol）∆ Sr＝0.206－2ac

ま た，－∆ Gr ＝ －∆ Hr ＋ T・∆ Sr で あであるから，∆ Hr ＝ 26.5－＝1c 1－a）｝2るから，log10K＝ 3log102 ＝0.90 を得る。

1Sm（H2）2－1）｝2 ×｛ （｛c（1－a＝1∆ H（f H2）
22ac

K＝


1
1×0.131－ ×0.261
22

なお，∆ Gr は温度に依存するため，⑴で求めた 298 K における ∆ Gr の値を，－∆ Gr ＝ 2.303RT log10K＝ 0.010（kJ/（K・mol））に直接代入してはいけない。

また，標準反応ギブスエネルギーは，∆ Gr ＝ ∆ Hr －T × ∆ Sr
＝ －4.70－298×0.010＝ －7.68（kJ）
ギブスエネルギーの変化量の値が負であるから，この反応は自発的に進行する。
⑵

反応前の水素とヨウ素の物質量をともにc〔mol/L〕とすると，反応率が a のとき，反応前後の濃度は次のように表すことができる。なお，単位は省略している。

11H2（気）＋ I2（気）22cc－ac－acc（1－a） c（1－a）

HI（気）0＋2ac2ac

よって，この反応の平衡定数 K は次のように表される。

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