令和 4 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

914592_福岡_化学kk_cc19.indd 1

2022/06/06 15:45

第１問

⑵

アルカリ金属，アルカリ土類金属など，一部の金属元素を含む物質を炎の中に入れ【出題のねらい】て高温に熱すると，金属原子の価電子が熱化学における基本的な事象を題材とし，正誤エネルギーで励起され，エネルギーの高い問題や計算問題，記述式問題などの様々な問題状態（励起状態）になる。この状態は不安を用いて，基礎知識や計算力の確認をするとと定であるため，原子がもとの状態（基底状もに，思考力や判断力を総合的に問う問題を出態）に戻ろうとするが，その際に特定の波題した。

長の光を発する。カルシウムイオン Ca2＋の場合は橙赤色の光を発するため，炎の色【解答】が橙赤色に色づいたように見える（炎色反問１ ⑴2CH4＋3O2 → 2CO＋4H2O応）。
問２⑵

ウ

問２ ⑴

①Ａ

②Ｂ化傾向などのような，化学変化によって確③Ｂ認できる性質である。物理的性質は，物質

問３

問４⑴

⑵

9：1の組成を変えることなく確認できる性質で⑶

0.43ある。

⑴

イ①⑵MP〔g/L〕
RT⑶

152

酸性・塩基性は他の物質との反応で確認できるので化学的性質である。

②

沸点は分子量や極性によって変わるので物理的性質である。

－3⑷あ…6.60×10 ，い…156⑴

ウ

⑵

③

密度は，質量と体積によって求められるので，物理的性質である。

あ…白，い…AgCl⑵

う…褐，え…Ag2O

問５

物質の化学的性質は，酸の強さやイオン20（1－x）とす
Ne と 22Ne の存在比を x：ると，＋お…
［Ag（NH3）2］

20.0x＋22.0（1－x）＝20.2

か…Ag，き…銀鏡∴ x＝0.90
よって存在比は 9：1⑴

あ…ア，い…イ⑵イ⑶２−ドデカノールは（１−ドデカノー相当するから，反応した O2 の物質量はルに比べて）立体的な障害が大きいた

39.8－31.8＝0.250（mol）
32.0⑶

め。

酸化によって増えた質量は O2 の質量に銅粉中の 63Cu の物質量が x mol，65Cu の【解説】物質量が y mol とすると，

問１2Cu＋O2 → 2CuO より⑴

メタンの不完全燃焼によって，一酸化炭

Cu の物質量は O2 の 2 倍なので，{素と水（水蒸気）が生じる。

x＋y＝0.250×2
63.0x＋65.0y＝31.8

─ 2 ─914592_福岡_化学kk_cc19.indd 22022/06/06 15:45

これを解くと，⑷

x＝0.350 mol，y＝0.150 mol であるから，あ…27 ℃の容器には空気と試料の蒸気の混合気体が存在しており，試料の分0.150＝0.428…≒0.430.350

圧 は 蒸 気 圧 に 等 し く，1.20×104 Pa

よって，物質量の比は 1：0.43

れに等しいから，追い出された空気のである。追い出された空気の分圧はこ

問３
⑴

質量は
ア 揮発性有機物の気体が発生する可能性があるため，換気を十分に行う。
ピクノメーターを直接ガスバーナー＝6.60×10−3（g）で熱すると，内容積が変化する可能性

い…⑶のように液体試料の蒸気圧を無視

イがある。

した場合，液体試料は蒸発しないもの

試料がすべて蒸発すると，大気中にとみなしているため，試料の質量を小気体が出ていくため容器内は大気圧とさく見積もっていることになる。試料同じ圧力になる。の蒸気圧を考慮すると，

ウエ室温まで冷やすと，容器内の圧力がよって，適切でないものはイとなる。

であるから，試料の質量は理想気体の状態方程式 PV＝nRT より，

n＝⑶

30.247－（30.000－6.60×10－3）＝0.2536（g）

PVRT

よって，試料の分子量を M'とすると

よってd＝（容器の質量）＋（残った空気の質量）＋（試料の質量）＝30.247（g）

下がるため，空気が入ってくる。
⑵

1.20×104
50.0×1.10
5 ×
1.00×101000

1.00×105×

Mn M PV MP＝ ×＝〔g/L〕
V
V RT RT

97 ℃に熱したとき，液体試料はすべて蒸気となって容器を満たしており，しばら＝

50.0
1000

0.2536×8.31×103×370
M'∴ M'＝155.9…≒156

く放置した後の容器内の全圧は大気圧と等しい。
また，室温まで冷やした液体試料の質量は 30.247－30.000＝0.247 g であるから，分子量を M とすると，1.00×105×＝50.0
1000

0.247×8.31×103×370
M∴ M＝151.8…≒152─ 3 ─914592_福岡_化学kk_cc19.indd 32022/06/06 15:45

問４⑴れる（Fischer のエステル化）。この方法
銀の単体の融点は約 960 ℃，金のア単体の融点は約 1064 ℃である。
イ

では溶液が酸性であることで反応の中間体が生じ，逆反応が起こり得るため，エステ

銀の展性・延性は金に次いで大きルの生成を安定させるためには過剰のアルコールを加えるなどして平衡を移動させるい。

必要がある。

ウ

銀のイオン化傾向は金より大きい。

エ

銀は金に比べて電気伝導が大きい。

本実験では，カルボン酸のヒドロキシ基

ア〜エの文は正しいが理由として最も適切をハロゲン化物イオンで置換して得られるなものはウである。

ハロゲン化アシルを用いている。ハロゲン銀イオン Ag は塩化物イオン Cl と反化アシルは反応性が高く，ハロゲン化アシ応し，白色の塩化銀 AgCl が沈殿する。こルとアルコールとの間でもエステル化反応の沈殿にアンモニア水を少量加えると，褐が起こる。この反応は，塩基触媒を加える色の酸化銀 Ag2O が沈殿する。この酸化銀ことで溶液がつねに中性または塩基性に保の沈殿に過剰量のアンモニア水を加えるたれるため，平衡の問題が避けられ，効率と，酸化銀は無色のジアンミン銀（Ⅰ）イ的な方法であるといえる。

⑵＋－オン［Ag（NH3）2］ を生じて溶ける。
＋

１−ドデカノールのような第一級アルコ

アンモニア性硝酸銀水溶液には，ジアンールと２−ドデカノールのような第二級アミン銀（Ⅰ）イオン［Ag（NH3）2］ が含まれルコールを比較すると，その立体的な構造ており，アルデヒドなどの還元性物質に出に差異がある。本実験では，塩化ベンゾイ

会うと還元され，銀 Ag を遊離する。この

ルのカルボニル基の炭素原子（反応点）を反応を銀鏡反応といい，還元性物質の検出

アルコールのヒドロキシ基が攻撃することに用いられる。

で反応が進行するが，２−ドデカノールは＋問５

１−ドデカノールに比べて反応点に対するO 原子は電気陰性度が大きいため，電⑴子を強く引き付ける。よって，構造中に立体的な障害が大きいため，反応速度が小さくなる。

O 原子を多く含むシリカゲルの極性は大きい。一方，酢酸エチル，ヘキサンやジク
ロロメタンは比較的極性が小さいため，TLC における展開溶媒に用いられる。
⑵

溶媒に溶けた溶質は，極性の大きいものから順に固定相（シリカゲル）と水素結合する。アセトアニリドはアニリンより極性が大きいため，より低い位置にスポットが現れる。よって，アニリンをおいた点はイである。なお，本来は反応物と生成物の両方を重ねうちした点を用意して，反応の進行を調べるが，本問では省略した。

⑶

カルボン酸とアルコールを硫酸などの酸触媒存在下で加熱すると，エステルが得ら─ 4 ─

914592_福岡_化学kk_cc19.indd 42022/06/06 15:45

第２問る。これを蒸気圧降下とよぶ。
⑵①【出題のねらい】

水 1.00 kg に NaCl を 175.5 g 溶かした NaCl 水溶液の質量モル濃度は結晶構造，希薄溶液，反応速度，化学平衡などを題材とし，実生活の事象と関連づけた問題

17.55＝0.300（mol/kg）
58.5を用いて，計算力を確認し，理論化学についてNaCl が水溶液中で電離して溶液中のの知識の理解度とともに思考力や判断力を総合粒子の物質量は 2 倍になるため，水的に問う問題を出題した。のモル沸点上昇 Kb は

Kb＝

【解答】
問１ ⑴
⑵

ア＝0.516① 0.52 K･kg/mol≒0.52（K･kg/mol）② 0.42 mol/kg② この実験室での水の沸点は 99.57 ℃① （関係式）ΠV＝nRT⑶である。求める NaCl の質量モル濃度を m〔mol/kg〕とすると（法則名）ファントホッフの法則m＝② 2.4×105 Pa
問２100.00－99.57
0.516×2⑴ 240 個

＝0.416……

⑵ 1 nm≒0.42（mol/kg）⑶ 10 g⑶① ΠV＝nRT の関係が成り立つ法則を⑷ 25500 kJ/mol
問３

100.31－100.00
2×0.300⑴

ファントホッフの法則という。

あ…触媒

り，NaCl は電離するため

い…活性化エネルギー⑵ウ

n＝2×⑶ 0.48 mol/L⑷ 3.0 倍－（E 11－
R T2 T1

5.85＝0.200（mol）
58.5

T＝273＋17＝290（K）⑸ 5.0×10－2 / 分⑹

溶 液 の 体 積 V は，V＝2.00 L で あ②

また，気体定数の値を，ΠV＝nRT に）代入すると
Π×2.00⑺ E の値が大きい方が，温度の上昇に伴う反応速度の増加量が大きく，ま＝0.200×8.31×103×290∴ Π≒2.4×105（Pa）

た，温度が十分に低い場合は，E の値が小さい方が反応速度が大きくなる。
【解説】
問１⑴

純溶媒のときよりも，不揮発性物質を溶かしたときの溶液の方が，蒸発する水分子の数が少なくなり，蒸気圧の値は小さくな─ 5 ─914592_福岡_化学kk_cc19.indd 52022/06/06 15:45

問２⑴⑷
面心立方格子の単位格子中に含まれるフフラーレン C60 が完全燃焼するときの熱化学方程式は次のようになる。

C60 ＋ 60O2 ＝ 60CO2 ＋ Q kJ

ラーレン C60 分子の数はC60 は各炭素原子がとなりあう 3 つの炭素11×8＋ ×6＝4（個）82原子と結合しており，一つの炭素間結合は2 つの炭素原子に共有されているため，炭である。

素原子 1 つあたりの結合の数はよって，求める炭素原子の数は

4×60＝240（個）
⑵

3＝1.5
2

面心立方格子において，立方体の各面の対角線上で分子同士が接触している。よっとなる。1 mol のフラーレン C60 には 60て，求める長さはmol 炭素原子が含まれるため，結合の総数は1.41×1.41＝0.99405
2

1.5×60＝90（mol）≒1（nm）であるから，求める燃焼熱は

なお，実際に測定された C60 分子の直径は 0.71 nm であり，フラーレン C60 分子の形成する分子結晶中では C60 分子は互いQ＝60×2×800－（450×90＋60×500）＝25500（kJ/mol）に接触していなかったことがわかる。
⑶

単位格子中の空間Ⅰと同等な空間に収容されているカリウム原子の数は 8 個であり，空間 Ⅱと同等な空間に収容されているカリウム原子の数は1＋1×12＝4（個）4である。単位格子中に含まれるフラーレン

C60 分子の数が 4 個であるから，フラーレ
ン C60 分子 1 mol に対し，カリウム K 原子は 3 mol 存在することが分かる。よって，取り込まれたカリウムの物質量は8.64×3＝0.0360（mol）
60×12
よって，求める質量は8.64＋0.0360×39.1≒10（g）

─ 6 ─

914592_福岡_化学kk_cc19.indd 62022/06/06 15:45

問３⑴

反応時間 10 分における未反応の過酸化
あ…ある化学反応系に，少量加えただけ水素濃度が反応時間 32 分の時の 3.0 倍にで反応が進みやすくなり，反応前後でなっているため，反応速度は 3.0 倍である。

自身に変化がないものを触媒とよぶ。
い…化学反応において，触媒は活性化エ⑵⑸ logeネルギーを下げて反応速度を増大させloge 3.0＝－k（10－32）

る。

1.10＝22 k∴ k＝0.050＝5.0×10－2（/ 分）

触媒を加えたときも加えていないときも，反応熱は変わらない。

⑶

v1＝－k（t1－t2）に数値を代入すると
v2

それぞれ，k1，k2 として代入した式をつ最初に存在した過酸化水素は250×1.00×2.72
10034

温度 T1 と T2 における反応速度定数を⑹

くり，＝0.200（mol）k2に代入すると
k1x＝－である。
反応時間 10 分において，発生した酸素は 1.00 L である。よって，発生した酸素の物質量は（E 11－
R T2 T1）を得る。
⑺ （ⅴ）式から，log10 k と1の関係をグラT

フにすると次のような関係が得られる。た

1.00＝0.0400（mol）
25.0

だし，（ⅰ）（ⅱ）の E の値はそれぞれ，E1，よって，反応式の係数から，反応した過酸E2（E1 ＞ E2）である。E の値が大きい方化水素の物質量は，0.0800 mol である。

が，グラフの傾きが急になるため，温度のこれより未反応の過酸化水素の物質量は上昇に伴う反応速度の増加量が大きくなる

0.200－0.0800＝0.120（mol）ことが読み取れる。また温度が十分に低いとなる。溶液の体積は 250 mL であるか場合は，E の値が小さい方が反応速度が大ら，求める濃度は，きくなることが分かる。

0.120×⑷1000＝0.480（mol/L）
250（ⅰ）

反応時間 32 分において，発生した酸素は 2.00 L である。これは2.00＝0.0800（mol）
25.0log10k（ⅱ）

である。よって，反応した過酸化水素は0.160 mol なので，未反応の過酸化水素の物質量は10.200－0.160＝0.0400（mol）

Tであり，濃度は0.0400×

1000＝0.160（mol/L）
250である。

─ 7 ─914592_福岡_化学kk_cc19.indd 72022/06/06 15:45

第３問

⑵

水素よりイオン化傾向のより大きな金属

M は，電子を放出する方向に反応が進みや【出題のねらい】

すいので，M ⇄ Mn＋＋ne－の平衡は，右酸化還元反応や無機化合物の工業的製法を題にかたよる。よって，E0 の値は小さくな材とし，実生活で観察できる事象とも関連づけり，H2 と M では，M が電池の負極となる。

た問題を用いて，無機化学全般についての理解

E0 の値が大きいものほど電子を受け取⑶度とともに思考力や判断力を総合的に問う問題

りやすく，還元反応が進行しやすい。表 1を出題した。

より，
ア Fe3＋＋e－→ Fe2＋は E0＝＋0.77 V【解答】

イ Fe2＋＋2e－→ Fe は E0＝－0.44 V

問１ ⑴ 2H＋＋2e－→ H2⑵ア⑶イであるため，イのほうが進行しにくい反応である。
⑷ I2＋2e－→ 2I－は E0＝＋0.54 V

MnO4－＋5e－＋8H＋⑷ （向き）右向き→ Mn2＋＋4H2O は E0＝＋1.51 V（理由）
標準電極電位の差をとると，＋0.97 となり，正の値となるため。
⑸①

2.5×10－7 mol/L

よって，E＝＋1.51－（＋0.54）＝＋0.97 V
正の起電力が得られるため

2MnO4－＋10I－＋16H＋② （起電力）

E＝1.1＋MCu
0.0591
log10
MZn2（E＝1.1－MZn0.0591）
log10MCu2→ 2Mn2＋＋5I2＋8H2Oの反応は自発的に右向きに進む。
⑸① EM＝E0M＋（要因）硫酸亜鉛水溶液と硫酸

り，
－1.81

銅（Ⅱ）水溶液の濃度の比
問２⑴

あ…Alい…Fe2O3う…COえ…CaO⑵

3.5×102 kg

⑶

1.1 倍

⑷

①0.0591
log10［Mn＋］よ
n＝－1.68＋0.0591
log10［Al3＋］3

log10［Al3＋］＝－6.598……
≒－6.6

赤色（赤紫色）－3② 1.1×10

よって，［Al3＋］＝10－6.6＝10－7.0＋0.4

cm

2＝（100.2）
×10－7

【解説】

≒2.5×10－7（mol/L）

問１⑴②
水素電極の表面では，

EZn＝－0.76＋

H2 ⇄ 2H ＋2e＋各電極の電位は－の平衡が成立し，１つの半電池が形成される。H の還元反応は＋ECu＝0.34＋0.0591
log10 MZn
20.0591
log10 MCu22H＋＋2e－→ H2である。

─ 8 ─914592_福岡_化学kk_cc19.indd 82022/06/06 15:45よって，起電力 E は

E＝1.1＋

鉄原子１個の球の半径を r，鉄原子１個⑶の球の質量を w，体心立方格子の一辺を0.05912a，面心立方格子の一辺を b とする。

×（log10 MCu －log10 MZn）

体心立方格子について，r＝MCu
0.0591＝1.1＋log10MZn
2a＝

よって，E は硫酸亜鉛水溶液と硫酸銅（Ⅱ）水溶液の濃度の比によって定ま

2wa3MCu
しかしながら，が 100 倍にな
MZn

問２ムである。

より…④④より密度は，②と，4w2a3b3＝ 3 （倍） …⑤b2w3aう…コークスから主に生じるのは一酸化炭素。
え…石灰石が加熱分解すると酸化カルシ⑵4体心立方格子が面心立方格子に変化する

い…赤鉄鉱の主成分は Fe2O3。

ウムになる。

√2 b単位格子中の原子は 4 個だから，密度は，4wb3

多い順にアルミニウム，鉄，カルシウ…②b＝2 √ 2 r …③力はわずかにしか変化しない。
あ…地殻中に含まれている金属元素は，より…①面心立方格子について，r＝MCu0.0591ったとしてもの値log10MZn2⑴4

単位格子中の原子は 2 個だから，密度は，る。の増加量は 0.0591 のみであり，起電4√3 r3√3 aになる。⑤に①および③を代入すると，

4√3 r 33
≒1.08≒1.1（倍）3（2 √ 2 r）

銑鉄中に含まれる炭素の質量は，（）21000×0.04＝40（kg）
鉄鉱石を還元するのに必要な炭素の物質量は， Fe2O3＋3CO →２ Fe＋3CO2 の反応式 の 係 数 か ら， 生 成 す る 鉄 の 物 質 量 の⑷①

液滴の周辺部では，大気中の酸素が還元され，次のような反応が起きる。

O2＋2H2O＋4e－ → 4OH－3倍であるので，
2

このときに，発生した OH－ により，960 3× ×12＝308.5…≒309（kg）
562

フェノールフタレインが赤色（赤紫色）になる。

よって，炭素の質量は，40＋309＝349 ≒ 3.5×102（kg）となる。

─ 9 ─914592_福岡_化学kk_cc19.indd 92022/06/06 15:45

②

流れた電子の物質量は1.5×193＝ 3.00×10－3（mol）
9.65×104
Cu2＋＋2e－ → Cu より析出した銅の質量は3.00×10－3×

1×64＝0.096（g）
2

析出した銅の体積は

0.096＝ 0.0107（cm3）8.96
よって，めっき層の厚さは0.0107≒1.1×10－3（cm）
2.00×5.00

─ 10 ─

914592_福岡_化学kk_cc19.indd 102022/06/06 15:45

第４問

160 ℃〜170 ℃では，主に分子内で脱水が起こり，エチレンが得られる。

【出題のねらい】

C2H5OH → C2H4 ＋ H2O

ザイツェフ則や高分子化合物を題材とし

問２て，高校で学ぶ有機化学と大学で学ぶ有機化学⑴

この反応をアルコール発酵という。の橋渡しになるような発展的な問題を用いて，⑵反応式の係数比より，グルコース思考力や判断力を総合的に問う問題を出題し1 mol か ら エ タ ノ ー ル が 2 mol 得 ら れた。

る。グルコースの分子量が 180，エタノールの分子量が 46 であるから【解答】

8.1×2×46＝4.14≒4.1（g）
180

問１ ア問３

問２ ⑴ C6H12O6 → 2C2H5OH ＋ 2CO2⑵
問３〇で囲まれた炭素には水素が 1 個，□で囲まれた炭素には水素が 3 個結合して4.1 gいるので，ザイツェフ則より，主生成物は

CH3〇で囲まれた炭素から水素が取れた解答の

H3C−C＝ CH−CH3化合物となる。

問４ ⑴ ソーダ石灰管を先に接続すると，水CH3と二酸化炭素の両方を吸収してしま

H3C − C − CH − CH2

い，質量を別々に測定できず，元素分H OH H

析ができないから。
⑵

C6H14O⑶

主生成物

CH3CH3H3C − C＝ CH − CH3

H3C−C＝ CH−CH2−CH3
副生成物

CH3 H

⑷

H3C − CH − CH＝ CH2

H3C−CH−C*−CH2−CH3問４OH
問５CH3⑴付加重合

元素分析とは，有機化合物を燃焼して得問６ 4.50×102られた二酸化炭素をソーダ石灰管に，水を問７ 燃焼時に得られた熱をエネルギーとして塩化カルシウム管に吸収させ，それぞれの質量の変化から有機化合物中に含まれる炭利用する方法。

素および水素の質量を求め，そこから炭【解説】素，水素，酸素の組成比を求める実験であ問１る。よって，水と二酸化炭素の質量を別々エタノールに濃硫酸を加えて加熱すると，加熱の温度によって生成物が変化すに求める必要がある。

る。

130 ℃〜140 ℃では，主に分子間で脱水が起こり，ジエチルエーテルが得られる。

2C2H5OH → C2H5OC2H5 ＋ H2O
─ 11 ─

914592_福岡_化学kk_cc19.indd 112022/06/06 15:45

⑵塩化カルシウム管に水が，ソーダ石灰管アルケンＢに二酸化炭素が吸収される。元素分析の結CH3果より，炭素，水素，酸素の質量はそれぞれ

H3 C − C＝CH − CH2 − CH312＝ 7.2
C：26.4×44
H：12.6×⑷したものであるから，A の可能性は以下の

2＝ 1.418いずれかであり，A は不斉炭素原子をもつ

O：10.2－（7.2＋1.4）＝1.6ので，A の構造が決定する。

よって，各元素の物質量の比はCH37.2 1.4 1.6：：C：H：O＝12116

H3 C − C＝CH − CH2 − CH3＝ 6：14：1

CH3

よって組成式は C6H14O なので分子式は→ H3 C − C − CH − CH2 − CH3（C6H14O）n と 表 せ る。 分 子 量 が 100 ± 3HO Hの範囲にあることから，n＝1 であり分子量は 102 と決まる。
⑶

アルコール A はアルケン B に水を付加

CH3 H

A を脱水して得られるアルケン B の分→ H3 C − CH − C* − CH2 − CH3

子式は C6H12 である。この化合物をオゾOHン酸化して得られる化合物 B1 と B2 の質量が等しいことから，B1 と B2 の分子式が（アルコールＡ）等しいことがわかる。よって，B1 と B2 の炭 素 数 は 3 個 ず つ で あ り， 分 子 式 は

問５

単量体中の C＝C が開裂し，単量体が付C3H6O のカルボニル化合物（C＝O 構造を加反応を繰り返して重合する反応を付加重もつ化合物）と決まる。

合という。

ここで，B1 と B2 が異なる化合物である

問６ ポリメタクリル酸メチルの繰り返し単位から，この二つはアセトンとプロピオンアの式量は 100 である。このポリメタクリルデヒドであり，オゾン酸化でこの二つがル酸メチルの平均分子量は重合度を n と得られるアルケン B の構造式は次に示す

すると 100n と表せるので100n＝4.50×104 ∴ n＝4.50×102

ように決定する。

問７ 「サーマル」とは熱や温度という意味でアセトンあり，サーマルリサイクルとは燃焼時に得CH3られる熱をエネルギーとして取り出して利H3C − C＝O用する方法を指す。

プロピオンアルデヒド

HO＝C − CH2 − CH3─ 12 ─914592_福岡_化学kk_cc19.indd 122022/06/06 15:45

914592_福岡_化学kk_cc19.indd 12022/06/06 15:45