化学基礎を専攻する文系の人も必見！「物質の三態」
お待たせしました！「物質の三態 完全攻略チャート＆過去問解説集」の販売を開始しました。
物質には、固体、液体、気体の３つの状態があり、これらを物質の三態といいます。
物質の三態に関する問題は、知識問題と計算問題に分かれ、計算問題の解法は、市販の参考書には詳しく触れられていないことが多く、苦手としている人がいます。
それでは、解法・ポイントを少し公開しちゃいます。
物質の三態に関する問題は、主に次のⅠ～Ⅳの４つのタイプに分類できます。
Ⅰ.固体・液体・気体に関する知識問題タイプ
Ⅱ.加熱曲線に関する知識問題タイプ
Ⅲ.加熱曲線に関する計算問題タイプ
Ⅳ.状態図に関する知識問題タイプ
Ⅰ.固体・液体・気体に関する知識問題タイプ
は、下記の基本事項をおさえましょう。
■状態変化
・固体が液体になる変化を融解、逆に、液体が固体になる変化を凝固という。
・液体が気体になる変化を蒸発(気化)、逆に、気体が液体になる変化を凝縮(液化)という。
・固体が直接気体に変化、また、気体が直接固体に変化するを昇華という。
・沸騰は、液体の内部からも蒸発が起こる現象をいう。
☆蒸発は温度が沸点に達していなくても起こる！
■状態変化とエネルギー
・融解熱(凝固熱)……
固体1molがすべて融解するときに吸収する熱量で、これは1molの液体がすべて凝固するときに放出する熱量(凝固熱)に等しい。
※一般に、粒子間にはたらく引力の強い物質ほど融点は高く、融解熱も大きくなる。例えば、イオン間にはたらくクーロン力は、分子間にはたらく分子間力よりもかなり強いので、イオン結晶は分子結晶よりも融解熱はかなり大きくなる。
・蒸発熱(凝縮熱)……液体1molがすべて蒸発するときに吸収する熱量で、これは、1molの気体がすべて凝縮するときに放出する熱量に等しい。
・昇華熱……固体1molがすべて昇華するときに吸収する熱量で、これは、1molの気体がすべて固体に変化するときに放出する熱量に等しい。
Ⅱ.加熱曲線に関する知識問題タイプ
については下記をおさえましょう。
下図は氷を加熱していき、水を経て水蒸気に状態変化させるまでの加熱時間と温度変化との関係を表したグラフで加熱曲線とよびます。
加熱曲線に関する知識を問う問題は、主に下記(Ⅰ)～(Ⅲ)の３つのタイプに分類できます。
すべて重要なので確実に覚えましょう！
(Ⅰ) 状態を問う知識問題
① ab間の状態は？ 固体のみ。
② bc間の状態は？ 固体と液体が共存している。
③ cd間の状態は？ 液体のみ。
④ de間の状態は？ 液体と気体が共存している。
⑤ ef 間の状態は？ 気体のみ。
(Ⅱ) 名称を問う知識問題
① 温度tA℃は何というか？ 融点
② 温度tB℃は何というか？ 沸点
③ bc間で1molの物質が吸収する熱量は何というか？ 融解熱
④ de間で1molの物質が吸収する熱量は何というか？ 蒸発熱
(Ⅲ) 理由・記述問題
① bc間では加熱しているのにもかかわらず温度が上昇しない理由は？
融解中は加熱によって加えられたエネルギーは、固体の結晶配列を崩すために使われるので温度上昇は起こらない。
② de間では加熱しているのにもかかわらず温度が上昇しない理由は？
沸騰中は加熱によって加えられたエネルギーは、液体の粒子間にはたらく引力をすべて切断するために使われるので温度上昇は起こらない。
③ 一般に、蒸発熱は融解熱より大きくなる理由は？
融解熱は、分子間にはたらく結合の一部を切るのに必要なエネルギーであるが、 蒸発熱は、その結合を完全に切断にしたうえで、分子間の距離をさらに大きくするために必要なエネルギーである。このため蒸発熱のほうが大きなエネルギーとなる。
Ⅳ.状態図に関する知識問題タイプ
については下記をおさえましょう。
純物質は、それぞれの温度・圧力ごとに、その三態(固体・液体・気体)が決まっています。
純物質が様々な温度・圧力においてどのような状態であるかを示した図を物質の状態図(状態図は物質ごとに固有の形を示す)といいます。
図１は水H2O、図２は二酸化炭素CO2の状態図です。
状態図に関する知識を問う問題は、主に下記(Ⅰ)～(Ⅲ)の３つのタイプに分類でます。
(Ⅰ) 名称を問う知識問題
① 点Aの名称は？ 三重点
② 点Bの名称は？ 臨界点
③ 曲線ABの名称は？ 蒸気圧曲線
④ 曲線ACの名称は？ 融解曲線
⑤ 曲線OAの名称は？ 昇華圧曲線
⑥ 状態がⅢ→Ⅰに変化するときの状態変化の名称は？ 蒸発
⑦ 状態がⅡ→Ⅰに変化するときの状態変化の名称は？ 昇華
⑧ 状態がⅡ→Ⅲに変化するときの状態変化の名称は？ 融解
(Ⅱ) 状態を問う知識問題
① Ⅰの領域の状態は？ 気体
② Ⅱの領域の状態は？ 固体
③ Ⅲの領域の状態は？ 液体
④ 曲線AB上での状態は？ 液体と気体が共存している。
⑤ 曲線AC上での状態は？ 液体と固体が共存している。
⑥ 曲線OA上での状態は？ 固体と気体が共存している。
⑦ 点Aでの状態は？ 固体、液体、気体が共存している。
⑧ 点Bでの状態は？ 液体と気体が区別できない状態。
(Ⅲ) 理由・記述問題
① H2Oの状態図において(a)を出発点として、温度を一定にしたまま圧力を加えていくと、状態はどのようになるか？
水の融解曲線の傾きは負なので、温度を一定にして圧力を上げると図中Ⅲの領域に達する。つまり、固体から液体に状態変化する。
② CO2の状態図において(b)を出発点として、温度を一定にしたまま圧力を加えていくと、状態はどのようになるか？
CO2の融解曲線の傾きは正なので、温度を一定にして庄力を上げても固体のままである。
③ 圧力を上げると、H2O、CO2の沸点・融点はどうなるか？
図１のH2Oの状態図では、Tから圧力を大きくしていくと、融解曲線の傾きは負で蒸気圧曲線の傾きは正であるため、圧力増加とともに融点は下がり、沸点は高くなる。図２のCO2の状態図では、Tから圧力を大きくしていくと、融解曲線も蒸気圧曲線も傾きは正であるため、圧力増加とともに 融点・沸点はともに高くなる。
Ⅲ.加熱曲線に関する計算問題タイプ
については、「物質の三態 完全攻略チャート＆過去問題解説集」の中で詳しく解説しています。
過去問解説集の収録校は下記になります。
中京大学(2013)、徳島大学(2013)、金沢大学(2013)、明治大学(2013、2012)、東京理科大学(2013)、東京医科歯科大学(2012)、山形大学(2012)、広島大学(2012)、弘前大学(2012)、防衛大学校(2011)
本チャートでは、知識・計算問題の両方が確実に解けるようになるようにどの参考書よりもわかりやすく解説しています。
百聞は一見に如かずです!!
物質の三態は、化学基礎の範囲に含まれているため、センター試験を受ける文系の人も必須です。
問題のみはココみれます。
商品はHP「恋する化学」からご購入いただけます。
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拙著
『くらべてつなげてまとめる数学 (数学Ⅰ、A、Ⅱ、Bをネットワークでつなぐ)/文英堂』
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物質には、固体、液体、気体の３つの状態があり、これらを物質の三態といいます。
物質の三態に関する問題は、知識問題と計算問題に分かれ、計算問題の解法は、市販の参考書には詳しく触れられていないことが多く、苦手としている人がいます。
それでは、解法・ポイントを少し公開しちゃいます。
物質の三態に関する問題は、主に次のⅠ～Ⅳの４つのタイプに分類できます。
Ⅰ.固体・液体・気体に関する知識問題タイプ
Ⅱ.加熱曲線に関する知識問題タイプ
Ⅲ.加熱曲線に関する計算問題タイプ
Ⅳ.状態図に関する知識問題タイプ
Ⅰ.固体・液体・気体に関する知識問題タイプ
は、下記の基本事項をおさえましょう。
■状態変化
・固体が液体になる変化を融解、逆に、液体が固体になる変化を凝固という。
・液体が気体になる変化を蒸発(気化)、逆に、気体が液体になる変化を凝縮(液化)という。
・固体が直接気体に変化、また、気体が直接固体に変化するを昇華という。
・沸騰は、液体の内部からも蒸発が起こる現象をいう。
☆蒸発は温度が沸点に達していなくても起こる！
■状態変化とエネルギー
・融解熱(凝固熱)……
固体1molがすべて融解するときに吸収する熱量で、これは1molの液体がすべて凝固するときに放出する熱量(凝固熱)に等しい。
※一般に、粒子間にはたらく引力の強い物質ほど融点は高く、融解熱も大きくなる。例えば、イオン間にはたらくクーロン力は、分子間にはたらく分子間力よりもかなり強いので、イオン結晶は分子結晶よりも融解熱はかなり大きくなる。
・蒸発熱(凝縮熱)……液体1molがすべて蒸発するときに吸収する熱量で、これは、1molの気体がすべて凝縮するときに放出する熱量に等しい。
・昇華熱……固体1molがすべて昇華するときに吸収する熱量で、これは、1molの気体がすべて固体に変化するときに放出する熱量に等しい。
Ⅱ.加熱曲線に関する知識問題タイプ
については下記をおさえましょう。
下図は氷を加熱していき、水を経て水蒸気に状態変化させるまでの加熱時間と温度変化との関係を表したグラフで加熱曲線とよびます。
加熱曲線に関する知識を問う問題は、主に下記(Ⅰ)～(Ⅲ)の３つのタイプに分類できます。
すべて重要なので確実に覚えましょう！
(Ⅰ) 状態を問う知識問題
① ab間の状態は？ 固体のみ。
② bc間の状態は？ 固体と液体が共存している。
③ cd間の状態は？ 液体のみ。
④ de間の状態は？ 液体と気体が共存している。
⑤ ef 間の状態は？ 気体のみ。
(Ⅱ) 名称を問う知識問題
① 温度tA℃は何というか？ 融点
② 温度tB℃は何というか？ 沸点
③ bc間で1molの物質が吸収する熱量は何というか？ 融解熱
④ de間で1molの物質が吸収する熱量は何というか？ 蒸発熱
(Ⅲ) 理由・記述問題
① bc間では加熱しているのにもかかわらず温度が上昇しない理由は？
融解中は加熱によって加えられたエネルギーは、固体の結晶配列を崩すために使われるので温度上昇は起こらない。
② de間では加熱しているのにもかかわらず温度が上昇しない理由は？
沸騰中は加熱によって加えられたエネルギーは、液体の粒子間にはたらく引力をすべて切断するために使われるので温度上昇は起こらない。
③ 一般に、蒸発熱は融解熱より大きくなる理由は？
融解熱は、分子間にはたらく結合の一部を切るのに必要なエネルギーであるが、 蒸発熱は、その結合を完全に切断にしたうえで、分子間の距離をさらに大きくするために必要なエネルギーである。このため蒸発熱のほうが大きなエネルギーとなる。
Ⅳ.状態図に関する知識問題タイプ
については下記をおさえましょう。
純物質は、それぞれの温度・圧力ごとに、その三態(固体・液体・気体)が決まっています。
純物質が様々な温度・圧力においてどのような状態であるかを示した図を物質の状態図(状態図は物質ごとに固有の形を示す)といいます。
図１は水H2O、図２は二酸化炭素CO2の状態図です。
状態図に関する知識を問う問題は、主に下記(Ⅰ)～(Ⅲ)の３つのタイプに分類でます。
(Ⅰ) 名称を問う知識問題
① 点Aの名称は？ 三重点
② 点Bの名称は？ 臨界点
③ 曲線ABの名称は？ 蒸気圧曲線
④ 曲線ACの名称は？ 融解曲線
⑤ 曲線OAの名称は？ 昇華圧曲線
⑥ 状態がⅢ→Ⅰに変化するときの状態変化の名称は？ 蒸発
⑦ 状態がⅡ→Ⅰに変化するときの状態変化の名称は？ 昇華
⑧ 状態がⅡ→Ⅲに変化するときの状態変化の名称は？ 融解
(Ⅱ) 状態を問う知識問題
① Ⅰの領域の状態は？ 気体
② Ⅱの領域の状態は？ 固体
③ Ⅲの領域の状態は？ 液体
④ 曲線AB上での状態は？ 液体と気体が共存している。
⑤ 曲線AC上での状態は？ 液体と固体が共存している。
⑥ 曲線OA上での状態は？ 固体と気体が共存している。
⑦ 点Aでの状態は？ 固体、液体、気体が共存している。
⑧ 点Bでの状態は？ 液体と気体が区別できない状態。
(Ⅲ) 理由・記述問題
① H2Oの状態図において(a)を出発点として、温度を一定にしたまま圧力を加えていくと、状態はどのようになるか？
水の融解曲線の傾きは負なので、温度を一定にして圧力を上げると図中Ⅲの領域に達する。つまり、固体から液体に状態変化する。
② CO2の状態図において(b)を出発点として、温度を一定にしたまま圧力を加えていくと、状態はどのようになるか？
CO2の融解曲線の傾きは正なので、温度を一定にして庄力を上げても固体のままである。
③ 圧力を上げると、H2O、CO2の沸点・融点はどうなるか？
図１のH2Oの状態図では、Tから圧力を大きくしていくと、融解曲線の傾きは負で蒸気圧曲線の傾きは正であるため、圧力増加とともに融点は下がり、沸点は高くなる。図２のCO2の状態図では、Tから圧力を大きくしていくと、融解曲線も蒸気圧曲線も傾きは正であるため、圧力増加とともに 融点・沸点はともに高くなる。
Ⅲ.加熱曲線に関する計算問題タイプ
については、「物質の三態 完全攻略チャート＆過去問題解説集」の中で詳しく解説しています。
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気体の溶解度に関する問題
気体の溶解度は固体の溶解度と異なり、苦手とする人が多い分野です。
その要因として、固体の溶解度は、『一般にある温度で溶媒100gに溶かすことのできる最大限の溶質の質量(g)』と決まっているのに対して、気体の溶解度は、いくつかの表現があり、
求める溶解度が物質量・質量なのか、標準状態での体積なのか、その条件下の体積なのかによって、計算の仕方が変わってくる点が挙げられます。
また、計算問題には大きく２通りの出題タイプがあり、「溶解平衡の前後で物質量が変わらない」ことから方程式を立てて解くタイプをきちんと理解していない人が多いです。
それでは、少し解説したいと思います。
■気体の溶解度と温度の関係
一般に、気体の溶解度は高温になるほど減少します。
これは、液体の温度が上昇すると、溶解している気体分子の熱運動が活発になり、液体分子との分子間力に打ち勝つ気体分子の数が増えるためです。
気体分子の運動エネルギーは、液体に溶けると著しく低下し、その分だけ熱エネルギーに変換されます。
つまり、気体の溶解現象は、次の例のように発熱反応となります。
O2(気) ＋ aq ⇔ O2(aq) ＋ 15.9kJ
よって、ルシャトリエの原理により、高温になれば平衡は吸熱方向(左方向)に移動するので、気体の溶解度は高温ほど減少します。
■ヘンリーの法則
「一定温度で、一定体積の溶媒に溶解する気体の物質量(質量)は、その気体の圧力(分圧)に比例する。」
この法則は、ヘンリーの法則とよばれます。
ヘンリーの法則は、次のように言い換えることができます。
ヘンリーの法則①：
一定温度で、一定体積の溶媒に溶解する気体の物質量・質量は、その気体の分圧に比例する。
ヘンリーの法則②：
一定温度で、一定体積の溶媒に溶解する気体の体積は、同じ圧力のもとで測ったとき、気体の分圧に比例する。
ヘンリーの法則③：
一定温度で、一定体積の溶媒に溶解する気体の体積は、分圧に関係なく一定となる。
■気体の溶解度の計算問題
気体の溶解度の計算問題には、大きく「Ⅰ.溶解量を求めるタイプ」、「Ⅱ.物質量不変タイプ」の２通りのタイプがあります。
Ⅰ.溶解量を求めるタイプ
ヘンリーの法則を用いて、溶解量(物質量、質量、体積)を求めるタイプ。このタイプの解法は、『物質量・質量を求める場合』と『体積を求める場合』を分けて考えるとよい。
Ⅱ.物質量不変タイプ
溶解平衡の前後で気体の物質量が不変であることを用いて解くタイプ
このⅡのタイプをきちんと理解していない人が多いですね。
入試ではよく出題されているのに、参考書や問題集にも載っていないこともあり、
なにそれ？って思った人もいるのではないでしょうか？
下記のような問題です。
『酸素は1.0×105Paのときに,27℃の水1Lに1.0×10－3mol,57℃の水1Lに9.0×10－4mol溶けるものとする。
窒素は1.0×105Paのときに,57℃の水1Lに5.0×10－4mol溶けるものとする。
気体定数は8.3×103Pa･L/(K･mol)とする。ただし,気体はすべて理想気体とし,気体の溶解度と圧力の間にはヘンリーの法則が成り立つものとする。
気体の水への溶解に伴う水の体積変化,および温度変化に伴う水の体積変化,水の蒸気圧は無視できるものとする。また,容器の体積は変化しないものとする。
容積が1.1Lの容器に水1Lと酸素を入れた。容器を密閉したまま27℃に保ち,十分に長い時間静かに放置すると,①容器内の圧力は1.0×105Paで一定となった。次に,容器内の温度を57℃まで昇温させ,十分に長い時間静かに放置すると,②容器内の圧力は再び一定となった。その後,温度を57℃に保ったまま容器内に4.2×10－3molの窒素を加えた。この時,容器内の酸素や水は容器の外に出ないものとする。
十分に長い時間静かに放置すると,③容器内の圧力は再び一定となった。
答えは有効数字２桁で求めよ。
(１) 下線①の状態において,容器内の水に溶けている酸素の物質量を求めよ。
(２) 下線①の状態において,容器内に気体として存在する酸素の物質量を求めよ。
(３) 下線②の状態において,容器内の圧力[Pa]を求めよ。
(４) 下線③の状態において,容器内の圧力[Pa]を求めよ。
青山学院大学(2012 理工学部)』
『気体の溶解度に関する問題 完全攻略チャート＆過去問題解説集』
では、「気体の溶解度とはなにか」、「２通りの計算問題の解法」を、色や図を使い、これ以上ないくらいにかみ砕いてわかりやすく解説しています。
□収録出題校
島根大学(2013)、東京理科大学(2013)、兵庫県立大学(2012)、東京慈恵会医科大学(2012)、獨協医科大学(2012)、甲南大学(2012)、青山学院大学(2012)、星薬科大学(2012)、九州大学(2011)、同志社大学(2011)、岐阜大学(2011)
これ以上わかりやすく丁寧に解説したチャート＆過去問題解説集は他にはどこにもありません。
問題のみはココでみれます。
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医・歯・薬系大学志望の方、必見！アミノ酸の等電点に関する問題
アミノ酸の等電点に関する問題は、非常によく出題されています。
2013年の過去問題を調べてみると…
北里大学 医
神戸薬科大学 後期 薬
昭和大学 歯 薬 保健医療
中央大学 理工
東京薬科大学
東京理科大学 薬
東邦大学 １次 医
日本医科大学 １次 医
福岡大学 理 工 医 薬
星薬科大学
旭川医科大学 後期日程 医
京都大学 総合人間 教育 理 医 薬 工 農
群馬大学 理工－昼 理工
埼玉大学 後期日程 理 工
東京工業大学 理 工
新潟大学 後期 教育 理 医 歯 工 農
広島大学 総合科 教育 理 医 歯 薬 工 生物
北海道大学 総合教育 医 歯 獣医 水産
と医・歯・薬系大学での出題が目立ちます。
医・歯・薬系大学志望者は、しっかりおさえましょう！
それでは、少し解説したいと思います。
アミノ酸は、一般式RCH(NH2)COOHで表され、アミノ基(-NH2))とカルボキシ基(-COOH)の両方をもつ化合物で、この２つの基が同じ炭素原子に結合しているアミノ酸をα-アミノ酸といいます。
生体中のタンパク質を構成するα-アミノ酸は約20種類あり、それらがペプチド結合によって長くつながってできた高分子化合物がタンパク質です。
アミノ酸は側鎖(-R)の構造により、中性アミノ酸、酸性アミノ酸、塩基性アミノ酸に分類されます。
下記が入試でよく登場する代表的なα-アミノ酸です。
グリシン、アラニンの２つは名称と構造を確実に覚え、それ以外は、硫黄原子やベンゼン環を含むか、中性・酸性・塩基性のどれになるかは最低限覚えましょう！
アミノ酸を水に溶かすと、双性イオンのまま溶けます。
そして、弱酸由来の-COO－や弱塩基由来の-NH3＋が存在するため、独立に加水分解を起こし、次のような平衡状態になります。(Rの電離は考えないとする。)
上記の平衡は、次のようにpHによって、陽イオン、双性イオン、陰イオンの比率が変化します。
pHがある値になると、アミノ酸の平衡混合物の電荷が全体として0になります。
このときのpHを等電点といい、それぞれのアミノ酸は固有の等電点を持ちます。
酸性アミノ酸の等電点 → 酸性付近 例：グルタミン酸 3.0
中性アミノ酸の等電点 → 中性付近 例：グリシン 6.0
塩基性アミノ酸の等電点 → 塩基性付近 例：リシン 10.0
★等電点のポイントは、次の２つをおさえましょう！
・等電点では、大部分が双性イオンとして存在し、わずかに残る陽イオンと陰イオンの濃度は、必ず等しくなる。
・等電点の左側(pHが小さい側)では、陽イオンが多く(アミノ酸全体の電荷は＋)、右側では、陰イオンが多く(アミノ酸全体の電荷は－)存在する。
等電点に関する問題は、計算問題がよく出題され難しいと思われがちですが、理解してしまえば非常に簡単です。
また、出題されるアミノ酸もグリシンとアラニンが大半を占め、この２つの等電点の求め方は全く同じになります。
「等電点に関する問題チャート＆過去問完全攻略チャート」では、等電点の解法を色や図を使うなど、かみ砕いてわかりやすく解説しています。
□収録出題校
新潟大学(2013年)、神戸薬科大学(2013年)、中央大学(2013年)、東京薬科大学(2013年)、早稲田大学(2011年)、徳島大学(2011年)
これ以上わかりやすく丁寧に解説したチャート＆過去問題解説集は他にはどこにもありません。
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