塩素の発生実験に関する理由を記述する問題
今日は塩素の発生実験に関する理由を記述する問題です。
理由に関する問題(無機・有機・理論編)は
ココの記事にまとめています。
下図に示す塩素の発生実験において
□問題１
洗気瓶①に水を入れる理由は？
□解答例
・塩素中に混じっている塩化水素を取り除くため。
・塩素中に混じっている塩化水素を水に溶解して取り除くため。
□問題２
洗気瓶②に濃硫酸を入れる理由は？
□解答例
・塩素中に混じっている水蒸気を取り除くため。
・濃硫酸は乾燥剤で,塩素中に混じっている水蒸気を取り除くため。
□問題３
下方置換で捕集する理由は？
□解答例
・塩素は水に溶け,空気より重いため。
・塩素は水に溶け,分子量が空気の平均分子量(28.8)より大きく重いため。
□問題４
洗気瓶の水と濃硫酸の順序を逆にできない理由は？
□解答例
水を後にすると,そこから蒸発した水分が塩素と混じってしまうため。
※補足解説
塩素の実験室での製法は,主に
①さらし粉に塩酸を加える方法
CaCl(ClO)・H2O + 2HCl → CaCl2 + 2H2O + Cl2
と
②酸化マンガン(Ⅳ)に濃塩酸を加えて加熱する方法
MnO2 + 4HCl → MnCl2 + 2H2O + Cl2
の２つがあります。
特に,②の実験装置の理由を問う問題は,頻出なのでしっかりおさえましょう。
■実際に出題された過去問題は下記になります。
■単体の塩素は,図(略)に示す装置を用いて,酸化マンガン(Ⅳ)に濃塩酸を加えて加熱し,発生する気体を洗気びんに通して捕集すると得られる。工業的には,塩化ナトリウム水溶液の電気分解によって製造される。
図中の洗気びんⅠおよび洗気びんⅡの液体の名称を書き,それぞれの液体の役割とそれらを用いる理由を述べよ。
(2010 岩手大学 工 農 一部改)
■下図(略)のように塩素ガスを発生させた。以下の設問に答えよ。
(ア)発生したガスを洗気びんAで水に通じるのはなぜか,理由を述べよ。
(イ)洗気びんBで濃硫酸に通じるのは,発生した塩素ガスを乾燥するためである。ところで,一般に乾燥剤として用いられないものを次の中から選び,記号で答えよ。
(a)シリカゲル (b)十酸化四リン (c)酸化カルシウム (d)酸化銅
(2010 熊本大学 理 一部改)
解答 (イ) (d)
■塩素は種々の化合物をつくるうえで重要な物質であり,工業的には高濃度の食塩水を電気分解して得られる。
実験室においては,②酸化マンガン(Ⅳ)に濃塩酸を加え加熱することで塩素を発生させることができる。
問．下線部②の方法で塩素を発生させるための実験装置(図略)を示した。以下の問いに答えよ。
(1) フラスコ内で起こる反応の化学反応式を示せ。
(2) 洗気びん1の役割を20字以内で述べよ。
(3) 洗気びん2の役割を20字以内で述べよ。
(4) 図に示した実験装置における塩素の集め方の名称を示し,この方法を用いる理由を20字以内で述べよ。
(2010 横浜国立大学 工 一部改)
解答
(4) 下方置換(法) 理由…塩素は空気より重く,水と反応するため。
■問 下の図(略)は,下線部③の塩素の実験室的製法を表している。これについて,次のに答えなさい。
(1) この反応の化学反応式を書きなさい。
(2) 図中の 液体1(左の洗気瓶) および 液体2(右の洗気瓶)について,それぞれ物質名を書きなさい。また,それぞれの液体について, その役割を10字以内で述べなさい。
(2013 金沢大学 理工 一部改)
■単体の塩素は,工業的には塩化ナトリウム水溶液の電気分解でつくられるが,(a)実験室では,下の図(略)に示すように,酸化マンガン(Ⅳ)に濃塩酸を加えて加熱することにより発生させることができる。
(2) 図のあ(左の洗気瓶)およびい(右の洗気瓶)を設置する理由を,それぞれ簡潔に記せ。
(3) 図のような捕集方法により塩素を捕集することが適切である理由を簡潔に記せ。
(2013 静岡大学 理 工 農 )
拙著
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理由に関する問題(無機・有機・理論編)は
ココの記事にまとめています。
下図に示す塩素の発生実験において
□問題１
洗気瓶①に水を入れる理由は？
□解答例
・塩素中に混じっている塩化水素を取り除くため。
・塩素中に混じっている塩化水素を水に溶解して取り除くため。
□問題２
洗気瓶②に濃硫酸を入れる理由は？
□解答例
・塩素中に混じっている水蒸気を取り除くため。
・濃硫酸は乾燥剤で,塩素中に混じっている水蒸気を取り除くため。
□問題３
下方置換で捕集する理由は？
□解答例
・塩素は水に溶け,空気より重いため。
・塩素は水に溶け,分子量が空気の平均分子量(28.8)より大きく重いため。
□問題４
洗気瓶の水と濃硫酸の順序を逆にできない理由は？
□解答例
水を後にすると,そこから蒸発した水分が塩素と混じってしまうため。
※補足解説
塩素の実験室での製法は,主に
①さらし粉に塩酸を加える方法
CaCl(ClO)・H2O + 2HCl → CaCl2 + 2H2O + Cl2
と
②酸化マンガン(Ⅳ)に濃塩酸を加えて加熱する方法
MnO2 + 4HCl → MnCl2 + 2H2O + Cl2
の２つがあります。
特に,②の実験装置の理由を問う問題は,頻出なのでしっかりおさえましょう。
■実際に出題された過去問題は下記になります。
■単体の塩素は,図(略)に示す装置を用いて,酸化マンガン(Ⅳ)に濃塩酸を加えて加熱し,発生する気体を洗気びんに通して捕集すると得られる。工業的には,塩化ナトリウム水溶液の電気分解によって製造される。
図中の洗気びんⅠおよび洗気びんⅡの液体の名称を書き,それぞれの液体の役割とそれらを用いる理由を述べよ。
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■下図(略)のように塩素ガスを発生させた。以下の設問に答えよ。
(ア)発生したガスを洗気びんAで水に通じるのはなぜか,理由を述べよ。
(イ)洗気びんBで濃硫酸に通じるのは,発生した塩素ガスを乾燥するためである。ところで,一般に乾燥剤として用いられないものを次の中から選び,記号で答えよ。
(a)シリカゲル (b)十酸化四リン (c)酸化カルシウム (d)酸化銅
(2010 熊本大学 理 一部改)
解答 (イ) (d)
■塩素は種々の化合物をつくるうえで重要な物質であり,工業的には高濃度の食塩水を電気分解して得られる。
実験室においては,②酸化マンガン(Ⅳ)に濃塩酸を加え加熱することで塩素を発生させることができる。
問．下線部②の方法で塩素を発生させるための実験装置(図略)を示した。以下の問いに答えよ。
(1) フラスコ内で起こる反応の化学反応式を示せ。
(2) 洗気びん1の役割を20字以内で述べよ。
(3) 洗気びん2の役割を20字以内で述べよ。
(4) 図に示した実験装置における塩素の集め方の名称を示し,この方法を用いる理由を20字以内で述べよ。
(2010 横浜国立大学 工 一部改)
解答
(4) 下方置換(法) 理由…塩素は空気より重く,水と反応するため。
■問 下の図(略)は,下線部③の塩素の実験室的製法を表している。これについて,次のに答えなさい。
(1) この反応の化学反応式を書きなさい。
(2) 図中の 液体1(左の洗気瓶) および 液体2(右の洗気瓶)について,それぞれ物質名を書きなさい。また,それぞれの液体について, その役割を10字以内で述べなさい。
(2013 金沢大学 理工 一部改)
■単体の塩素は,工業的には塩化ナトリウム水溶液の電気分解でつくられるが,(a)実験室では,下の図(略)に示すように,酸化マンガン(Ⅳ)に濃塩酸を加えて加熱することにより発生させることができる。
(2) 図のあ(左の洗気瓶)およびい(右の洗気瓶)を設置する理由を,それぞれ簡潔に記せ。
(3) 図のような捕集方法により塩素を捕集することが適切である理由を簡潔に記せ。
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金属イオンの分離に関する理由を記述する問題
今日も理由を記述する問題についてです。
理由に関する問題(無機・有機・理論編)は
ココの記事にまとめています。
□5種類の金属イオンAl3＋,Ca2＋,Cu2＋,Fe3＋,Zn2＋を含む水溶液について,次の操作を順に行った。
操作1 水溶液に塩酸を加えた。その際,沈殿は生じなかった。
操作2 操作1の水溶液に硫化水素を通じると黒色の沈殿が生じたため,ろ過して沈殿Aとろ液に分離した。
操作3 操作2で得られた①ろ液を煮沸した。次に,②硝酸を加え,さらにアンモニア水を過剰に加えると沈殿が生じたため,ろ過して沈殿Bとろ液に分離した。
操作4 操作3で得られたろ液に硫化水素を通じると白色の沈殿が生じたため,ろ過して沈殿Cとろ液に分離した。
操作5 操作4で得られたろ液を煮沸して硫化水素を除き,炭酸アンモニウム水溶液を加えると白色の沈殿が生じたため,ろ過して沈殿Dとろ液に分離した。
……以下の操作は略……
□問題１
下線部①でろ液を煮沸する理由は？
□解答例
溶液に溶けている未反応の硫化水素を取り除くため。
□問題２
下線部②で硝酸を加える理由は？
□解答例
酸化剤である硝酸を用いて,鉄(Ⅱ)イオンを鉄(Ⅲ)イオンにするため。
※補足解説
上記の操作２で,鉄(Ⅲ)イオンは,硫化水素によって還元されて鉄(Ⅱ)イオンとなっています。
この鉄(Ⅱ)イオンを再び,鉄(Ⅲ)イオンにもどすために,残っている硫化水素を煮沸することによって取り除きます。
そして,酸化剤である硝酸を用いて鉄(Ⅱ)イオンを鉄(Ⅲ)イオンにします。
数種類の未知の金属イオンを含む水溶液から沈殿生成,再溶解反応などを利用することで分離,確認する方法を定性分析といい,古くから確立された一定の手順があります。
入試でよく狙われるイオンについての代表的な手順の一例を示しました。
■実際に出題された問題は下記になります。
■操作に従って,Ca2＋,Fe3＋,Cu2＋,Pb2＋を含む混合水溶液から各イオンを分離して確認した。
問 下線部で,煮沸の操作と硝酸を加える操作を行う理由として正しく記述されているのはどれか。
次の中から正しい組合せを一つ選んで,解答欄の記号にマークしなさい。
煮沸の操作 硝酸を加える操作
塩素を追い出すため 金属イオンの一つを酸化するため
塩素を追い出すため 金属イオンの一つを還元するため
硫化水素を追い出すため 金属イオンの一つを酸化するため
硫化水素を追い出すため 金属イオンの一つを還元するため
二酸化炭素を追い出すため 金属イオンの一つを酸化するため
二酸化炭素を追い出すため 金属イオンの一つを還元するため
(2009 東海大学海洋 開発工 健康科 産業工 情報通信 情報理工 生物理工 農 一部改)
■混合水溶液に希塩酸を加えると(1)白色沈殿が生成したので,これをろ過した。ろ紙上の沈殿物を集めて熱水に溶かし,クロム酸カリウム水溶液を加えると(2)黄色沈殿が生じた。ろ液に(3)硫化水素を通じると(4)黒色の沈殿が生成したので,これをろ過した。ろ紙上の沈殿物を集めて,
希硝酸に加熱して溶かした後,アンモニア水を少しずつ加えると,まず(5)青白色の沈殿が生じた。さらに,アンモニア水を加えると沈殿が溶けて深青色の水溶液が生じた。
(6)ろ液を煮沸した後,(7)希硝酸を加え,アンモニア水を過剰に加えると(8)赤褐色沈殿を生じたので,
これをろ過した。ろ紙上の沈殿物を集めて希硝酸に溶かし,(9)チオシアン酸カリウム水溶液を加えると(10)呈色した。
問6 下線部(6)の操作を行う理由を20字程度で答えなさい。
問7 下線部(7)の操作を行う理由を20字程度で答えなさい。
( 2010 和歌山大学 教育)
■Ag＋,K＋,Ca2＋,Cu2＋,Zn2＋,Al3＋の6種類の金属イオンを含む水溶液がある。これらの金属イオンを分離・確認するために,次の①～⑥の操作を順に行った。
① 6種類の金属イオンを含む水溶液に塩酸を加えたところ,沈殿Aが生じた。
② 沈殿Aをろ過したろ液に硫化水素を通じたところ,沈殿Bが生じた。
③ 沈殿Bをろ過したろ液を煮沸した後,この水溶液にアンモニア水を過剰に加えたところ,沈殿Cが生じた。
④ 沈殿Cをろ過したろ液に硫化水素を通じたところ,沈殿Dが生じた。
⑤ 沈殿Dをろ過したろ液に炭酸アンモニウム水溶液を加えたところ,沈殿Eが生じた。
⑥ 沈殿Eをろ過したろ液を白金線に付着させ,ガスバーナーの炎にかざした。
問3 ③の操作において,ろ液を煮沸する理由を説明せよ。
(2011 島根大学 総合理工 )
■Na＋,Ca2＋,Fe3＋,Cu2＋,Zn2＋,Ag＋を含む水溶液がある。この水溶液について,a～eの操作を行った。ただし,a～eの操作による溶液の体積は変化しないものとする。
(操作a) この水溶液25.0mLを正確にはかりとり,これに塩酸を添加したところ,塩化銀の白色沈殿が生成した。この溶液をろ過し,塩化銀とろ液Aを得た。
(操作b) ろ液Aに硫化水素を十分に吹き込んだところ,黒色の沈殿物Bが生成した。この溶液をろ過し,沈殿物Bとろ液Cを得た。
(操作c) ろ液Cを煮沸して硫化水素を完全に除いてから①希硝酸を添加し,アンモニア水を過剰に加えたところ,赤褐色の沈殿物Dが生成した。この溶液をろ過し,沈殿物Dとろ液Eを得た。
(操作d) ろ液Eに硫化水素を十分に吹き込んだところ,白色の沈殿物Fが生成した。この溶液をろ過し,沈殿物Fとろ液Gを得た。
(操作e) ろ液Gに炭酸アンモニウムを加えたところ,白色の沈殿物Hが生成した。
この溶液をろ過し,沈殿物Hとろ液Iを得た。
問 下線部①で希硝酸を加えるのはなぜか。理由を簡潔に説明しなさい。
(2012 大分大学 教育福祉科 一部改)
■4種の金属イオンを含む水溶液Aに対して,以下のような金属イオンを分離および確認する実験を行った。
なお,水溶液Aに含まれる4種の金属イオンのうち,3種はZn2＋,Al3＋,および,Fe3＋であることが分かっている。
操作1．水溶液Aに希塩酸を加えたが何も変化がなかった。その後,硫化水素を通したところ,黒色沈殿物が析出した。
ろ過することにより,沈殿物Bと,ろ液Cとに分けた。
操作2．沈殿物Bを希硝酸で溶解した後,過剰量のアンモニア水を加えたところ,その溶液は深青色を呈した。
操作3．ろ液Cを加熱することにより硫化水素を除き,(2)希硝酸を加えた後,過剰量のアンモニア水を加えたところ,
沈殿物(混合物)が析出した。ろ過することにより,沈殿物Dと,ろ液Eとに分けた。
操作4．沈殿物Dに過剰量の水酸化ナトリウム水溶液を加えたところ,沈殿物の一部が溶解した。
ろ過することにより,溶解せずに残った赤褐色沈殿物Fと,ろ液Gとに分けた。
問．下線部(2)について,なぜ希硝酸を加えたのか,理由を,句読点を含めて40字以内で記せ。
ただし,元素記号は使わないこと。
(2011 名古屋市立大学 薬 一部改)
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結晶格子に関する問題のチャート⑤(11枚の中の1枚)
溶液の濃度に関する問題のチャート①(4枚の中の1枚)
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理由に関する問題(無機・有機・理論編)は
ココの記事にまとめています。
□5種類の金属イオンAl3＋,Ca2＋,Cu2＋,Fe3＋,Zn2＋を含む水溶液について,次の操作を順に行った。
操作1 水溶液に塩酸を加えた。その際,沈殿は生じなかった。
操作2 操作1の水溶液に硫化水素を通じると黒色の沈殿が生じたため,ろ過して沈殿Aとろ液に分離した。
操作3 操作2で得られた①ろ液を煮沸した。次に,②硝酸を加え,さらにアンモニア水を過剰に加えると沈殿が生じたため,ろ過して沈殿Bとろ液に分離した。
操作4 操作3で得られたろ液に硫化水素を通じると白色の沈殿が生じたため,ろ過して沈殿Cとろ液に分離した。
操作5 操作4で得られたろ液を煮沸して硫化水素を除き,炭酸アンモニウム水溶液を加えると白色の沈殿が生じたため,ろ過して沈殿Dとろ液に分離した。
……以下の操作は略……
□問題１
下線部①でろ液を煮沸する理由は？
□解答例
溶液に溶けている未反応の硫化水素を取り除くため。
□問題２
下線部②で硝酸を加える理由は？
□解答例
酸化剤である硝酸を用いて,鉄(Ⅱ)イオンを鉄(Ⅲ)イオンにするため。
※補足解説
上記の操作２で,鉄(Ⅲ)イオンは,硫化水素によって還元されて鉄(Ⅱ)イオンとなっています。
この鉄(Ⅱ)イオンを再び,鉄(Ⅲ)イオンにもどすために,残っている硫化水素を煮沸することによって取り除きます。
そして,酸化剤である硝酸を用いて鉄(Ⅱ)イオンを鉄(Ⅲ)イオンにします。
数種類の未知の金属イオンを含む水溶液から沈殿生成,再溶解反応などを利用することで分離,確認する方法を定性分析といい,古くから確立された一定の手順があります。
入試でよく狙われるイオンについての代表的な手順の一例を示しました。
■実際に出題された問題は下記になります。
■操作に従って,Ca2＋,Fe3＋,Cu2＋,Pb2＋を含む混合水溶液から各イオンを分離して確認した。
問 下線部で,煮沸の操作と硝酸を加える操作を行う理由として正しく記述されているのはどれか。
次の中から正しい組合せを一つ選んで,解答欄の記号にマークしなさい。
煮沸の操作 硝酸を加える操作
塩素を追い出すため 金属イオンの一つを酸化するため
塩素を追い出すため 金属イオンの一つを還元するため
硫化水素を追い出すため 金属イオンの一つを酸化するため
硫化水素を追い出すため 金属イオンの一つを還元するため
二酸化炭素を追い出すため 金属イオンの一つを酸化するため
二酸化炭素を追い出すため 金属イオンの一つを還元するため
(2009 東海大学海洋 開発工 健康科 産業工 情報通信 情報理工 生物理工 農 一部改)
■混合水溶液に希塩酸を加えると(1)白色沈殿が生成したので,これをろ過した。ろ紙上の沈殿物を集めて熱水に溶かし,クロム酸カリウム水溶液を加えると(2)黄色沈殿が生じた。ろ液に(3)硫化水素を通じると(4)黒色の沈殿が生成したので,これをろ過した。ろ紙上の沈殿物を集めて,
希硝酸に加熱して溶かした後,アンモニア水を少しずつ加えると,まず(5)青白色の沈殿が生じた。さらに,アンモニア水を加えると沈殿が溶けて深青色の水溶液が生じた。
(6)ろ液を煮沸した後,(7)希硝酸を加え,アンモニア水を過剰に加えると(8)赤褐色沈殿を生じたので,
これをろ過した。ろ紙上の沈殿物を集めて希硝酸に溶かし,(9)チオシアン酸カリウム水溶液を加えると(10)呈色した。
問6 下線部(6)の操作を行う理由を20字程度で答えなさい。
問7 下線部(7)の操作を行う理由を20字程度で答えなさい。
( 2010 和歌山大学 教育)
■Ag＋,K＋,Ca2＋,Cu2＋,Zn2＋,Al3＋の6種類の金属イオンを含む水溶液がある。これらの金属イオンを分離・確認するために,次の①～⑥の操作を順に行った。
① 6種類の金属イオンを含む水溶液に塩酸を加えたところ,沈殿Aが生じた。
② 沈殿Aをろ過したろ液に硫化水素を通じたところ,沈殿Bが生じた。
③ 沈殿Bをろ過したろ液を煮沸した後,この水溶液にアンモニア水を過剰に加えたところ,沈殿Cが生じた。
④ 沈殿Cをろ過したろ液に硫化水素を通じたところ,沈殿Dが生じた。
⑤ 沈殿Dをろ過したろ液に炭酸アンモニウム水溶液を加えたところ,沈殿Eが生じた。
⑥ 沈殿Eをろ過したろ液を白金線に付着させ,ガスバーナーの炎にかざした。
問3 ③の操作において,ろ液を煮沸する理由を説明せよ。
(2011 島根大学 総合理工 )
■Na＋,Ca2＋,Fe3＋,Cu2＋,Zn2＋,Ag＋を含む水溶液がある。この水溶液について,a～eの操作を行った。ただし,a～eの操作による溶液の体積は変化しないものとする。
(操作a) この水溶液25.0mLを正確にはかりとり,これに塩酸を添加したところ,塩化銀の白色沈殿が生成した。この溶液をろ過し,塩化銀とろ液Aを得た。
(操作b) ろ液Aに硫化水素を十分に吹き込んだところ,黒色の沈殿物Bが生成した。この溶液をろ過し,沈殿物Bとろ液Cを得た。
(操作c) ろ液Cを煮沸して硫化水素を完全に除いてから①希硝酸を添加し,アンモニア水を過剰に加えたところ,赤褐色の沈殿物Dが生成した。この溶液をろ過し,沈殿物Dとろ液Eを得た。
(操作d) ろ液Eに硫化水素を十分に吹き込んだところ,白色の沈殿物Fが生成した。この溶液をろ過し,沈殿物Fとろ液Gを得た。
(操作e) ろ液Gに炭酸アンモニウムを加えたところ,白色の沈殿物Hが生成した。
この溶液をろ過し,沈殿物Hとろ液Iを得た。
問 下線部①で希硝酸を加えるのはなぜか。理由を簡潔に説明しなさい。
(2012 大分大学 教育福祉科 一部改)
■4種の金属イオンを含む水溶液Aに対して,以下のような金属イオンを分離および確認する実験を行った。
なお,水溶液Aに含まれる4種の金属イオンのうち,3種はZn2＋,Al3＋,および,Fe3＋であることが分かっている。
操作1．水溶液Aに希塩酸を加えたが何も変化がなかった。その後,硫化水素を通したところ,黒色沈殿物が析出した。
ろ過することにより,沈殿物Bと,ろ液Cとに分けた。
操作2．沈殿物Bを希硝酸で溶解した後,過剰量のアンモニア水を加えたところ,その溶液は深青色を呈した。
操作3．ろ液Cを加熱することにより硫化水素を除き,(2)希硝酸を加えた後,過剰量のアンモニア水を加えたところ,
沈殿物(混合物)が析出した。ろ過することにより,沈殿物Dと,ろ液Eとに分けた。
操作4．沈殿物Dに過剰量の水酸化ナトリウム水溶液を加えたところ,沈殿物の一部が溶解した。
ろ過することにより,溶解せずに残った赤褐色沈殿物Fと,ろ液Gとに分けた。
問．下線部(2)について,なぜ希硝酸を加えたのか,理由を,句読点を含めて40字以内で記せ。
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ダイヤモンドと黒鉛(グラファイト)に関する理由を記述する問題
今日も理由を記述する問題についてです。
理由に関する問題(無機・有機・理論編)は
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□問題１
ダイヤモンドは電気を通さないが,黒鉛は電気を通す理由は？
□解答例
黒鉛は炭素の４個の価電子のうち１個が平面網目構造の層を自由に移動することができるため。
ダイヤモンドは価電子がすべて共有結合に使われているが,黒鉛では共有結合に使われていない価電子があるため。
ダイヤモンドは炭素原子の４個の価電子をすべて共有結合に使った正四面体型の立体網目構造であるが,黒鉛は３個の価電子を共有結合に使った平面網目構造であり,残り１個の価電子が結晶中の平面内を自由に動き回ることができるため。
□問題２
ダイヤモンドは非常に硬いが,黒鉛はもろい(軟らかい)理由は？
□解答例
黒鉛がもろいのは,平面網目構造の層間が分子間力による弱い結合のため。
ダイヤモンドは,すべての炭素原子は,４個の価電子すべてをつかって４個の炭素原子と非常に強い共有結合を形成するため非常に硬い。
一方,黒鉛は３個の価電子を共有結合に使った平面網目構造であり,平面どうしが弱い分子間力で結びついているため,平面同士がずれやすく軟らかい。
※補足解説
ダイヤモンドは炭素原子が正四面体の中心と各頂点に位置した立体構造となっており,炭素原子の価電子４個すべては原子間の共有結合に使われているので,電気伝導性はありません。
一方,黒鉛は炭素原子が３個の価電子を使い,正六角形の網目状に結合し平面構造をつくっています。この平面が幾つも重なり合った層状の結晶をつくっているのです。このため,炭素原子に残った１個の価電子が,平面構造に沿って移動できるので,黒鉛には電気伝導性があります。
※ダイヤモンドと黒鉛の用途
ダイヤモンドは,宝石として重宝される他に,天然の物質の中で最も硬いことから研磨剤などに用いられています。
黒鉛は,層間は結合力が弱い分子間力によって結合しているため,層状にはがれやすく,鉛筆の芯などに用いられています。
また,炭素の単体には,ダイヤモンド,黒鉛,フラーレン,カーボンナノチューブ,無定形炭素などの同素体があります。
□フラーレン
C60,C70などの分子式をもつ球状の分子。1985年にすすの中から発見され，現在研究が進められている。
□カーボンナノチューブ
黒鉛の層を円筒状に巻いた構造をもつ分子。1991年に日本で発見され,半導体などの電子材料として注目を集めている。
□無定形炭素
黒鉛の微小な結晶が不規則に配列したもの。脱水剤として用いられる活性炭やカーボンブラック・木炭もその一種。
■実際に出題された問題は下記になります。
■ダイヤモンドと黒鉛で,電気を導く性質をもつのはどちらか。その理由も記せ。
(2009 お茶の水女子大学 理 )
■ダイヤモンドや黒鉛のように,原子間の共有結合によって結晶が形成されている。ダイヤモンドと黒鉛は,ともに炭素の単体で互いに同素体の関係にあるが,構造も性質も異なっている。ダイヤモンドは電気を通さないが,b)黒鉛は電気を通す。
問 下線部(b)の理由を説明せよ。
(2009 島根大学 総合理工 一部改 )
■ダイヤモンドの結晶は,各炭素原子に4つの炭素原子が正四面体形に結合した構造になっている。
ダイヤモンドと黒鉛の性質の違いとしては,例えば,(b)ダイヤモンドは非常に硬いが,黒鉛は軟らかくはがれやすい,(c)ダイヤモンドはほとんど電気を通さないが,黒鉛は電気をよく通す,などがある。
問 下線部(b),(c)それぞれについて,ダイヤモンドと黒鉛の性質が違う理由を70字以内で述べよ。
(2010 静岡大学 農 理 )
■a)黒鉛がダイヤモンドとは異なり電気の良導体であることに関係している。
問 下線部a)について,図2に示した構造および炭素の価電子の状態を考慮して,黒鉛が良導体である理由を45字以内で答えよ。
(2010 東北大学 医 工 歯 農 薬 理 )
■炭素の同素体のうち,ダイヤモンドと黒鉛(グラファイト)について,両者の電気伝導性の違いを結晶構造に基づいて,説明しなさい。
(2011 信州大学 農)
■ダイヤモンドと黒鉛について考えよう。両者はどちらも炭素の単体であるが,性質が全く異なる。例えば,ダイヤモンドは非常に硬いが,黒鉛は軟らかい。電気伝導性に関しては,ダイヤモンドは絶縁体であるが,黒鉛は電気伝導体である。
問 ダイヤモンドと黒鉛では,なぜ硬さと電気伝導性に違いが生じるのか。それぞれ理由を説明しなさい。
( 2013 千葉大学 理 )
■ダイヤモンドと黒鉛は,共に多数の炭素原子が共有結合によって結びついた結晶である。ダイヤモンドの結晶は無色で非常に硬く,宝石や研磨剤などに利用されている。一方,黒鉛は光沢のある灰黒色の結晶で,軟らかく電気をよく伝えるため,鉛筆の芯や電極などに使用されている。
問１ 黒鉛はダイヤモンドと比べると非常に軟らかい。なぜ黒鉛の結晶は軟らかいのか,その理由を説明せよ。
問２ 黒鉛がよく電気を通す理由を説明せよ。
(2012 大阪教育大学 教育 一部改)
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完全攻略チャートのサンプルを公開しました。
結晶格子に関する問題のチャート⑤(11枚の中の1枚)
溶液の濃度に関する問題のチャート①(4枚の中の1枚)
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【「くらべてつなげてまとめる無機化学」 第一部】
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理由に関する問題(無機・有機・理論編)は
ココの記事にまとめています。
□問題１
ダイヤモンドは電気を通さないが,黒鉛は電気を通す理由は？
□解答例
黒鉛は炭素の４個の価電子のうち１個が平面網目構造の層を自由に移動することができるため。
ダイヤモンドは価電子がすべて共有結合に使われているが,黒鉛では共有結合に使われていない価電子があるため。
ダイヤモンドは炭素原子の４個の価電子をすべて共有結合に使った正四面体型の立体網目構造であるが,黒鉛は３個の価電子を共有結合に使った平面網目構造であり,残り１個の価電子が結晶中の平面内を自由に動き回ることができるため。
□問題２
ダイヤモンドは非常に硬いが,黒鉛はもろい(軟らかい)理由は？
□解答例
黒鉛がもろいのは,平面網目構造の層間が分子間力による弱い結合のため。
ダイヤモンドは,すべての炭素原子は,４個の価電子すべてをつかって４個の炭素原子と非常に強い共有結合を形成するため非常に硬い。
一方,黒鉛は３個の価電子を共有結合に使った平面網目構造であり,平面どうしが弱い分子間力で結びついているため,平面同士がずれやすく軟らかい。
※補足解説
ダイヤモンドは炭素原子が正四面体の中心と各頂点に位置した立体構造となっており,炭素原子の価電子４個すべては原子間の共有結合に使われているので,電気伝導性はありません。
一方,黒鉛は炭素原子が３個の価電子を使い,正六角形の網目状に結合し平面構造をつくっています。この平面が幾つも重なり合った層状の結晶をつくっているのです。このため,炭素原子に残った１個の価電子が,平面構造に沿って移動できるので,黒鉛には電気伝導性があります。
※ダイヤモンドと黒鉛の用途
ダイヤモンドは,宝石として重宝される他に,天然の物質の中で最も硬いことから研磨剤などに用いられています。
黒鉛は,層間は結合力が弱い分子間力によって結合しているため,層状にはがれやすく,鉛筆の芯などに用いられています。
また,炭素の単体には,ダイヤモンド,黒鉛,フラーレン,カーボンナノチューブ,無定形炭素などの同素体があります。
□フラーレン
C60,C70などの分子式をもつ球状の分子。1985年にすすの中から発見され，現在研究が進められている。
□カーボンナノチューブ
黒鉛の層を円筒状に巻いた構造をもつ分子。1991年に日本で発見され,半導体などの電子材料として注目を集めている。
□無定形炭素
黒鉛の微小な結晶が不規則に配列したもの。脱水剤として用いられる活性炭やカーボンブラック・木炭もその一種。
■実際に出題された問題は下記になります。
■ダイヤモンドと黒鉛で,電気を導く性質をもつのはどちらか。その理由も記せ。
(2009 お茶の水女子大学 理 )
■ダイヤモンドや黒鉛のように,原子間の共有結合によって結晶が形成されている。ダイヤモンドと黒鉛は,ともに炭素の単体で互いに同素体の関係にあるが,構造も性質も異なっている。ダイヤモンドは電気を通さないが,b)黒鉛は電気を通す。
問 下線部(b)の理由を説明せよ。
(2009 島根大学 総合理工 一部改 )
■ダイヤモンドの結晶は,各炭素原子に4つの炭素原子が正四面体形に結合した構造になっている。
ダイヤモンドと黒鉛の性質の違いとしては,例えば,(b)ダイヤモンドは非常に硬いが,黒鉛は軟らかくはがれやすい,(c)ダイヤモンドはほとんど電気を通さないが,黒鉛は電気をよく通す,などがある。
問 下線部(b),(c)それぞれについて,ダイヤモンドと黒鉛の性質が違う理由を70字以内で述べよ。
(2010 静岡大学 農 理 )
■a)黒鉛がダイヤモンドとは異なり電気の良導体であることに関係している。
問 下線部a)について,図2に示した構造および炭素の価電子の状態を考慮して,黒鉛が良導体である理由を45字以内で答えよ。
(2010 東北大学 医 工 歯 農 薬 理 )
■炭素の同素体のうち,ダイヤモンドと黒鉛(グラファイト)について,両者の電気伝導性の違いを結晶構造に基づいて,説明しなさい。
(2011 信州大学 農)
■ダイヤモンドと黒鉛について考えよう。両者はどちらも炭素の単体であるが,性質が全く異なる。例えば,ダイヤモンドは非常に硬いが,黒鉛は軟らかい。電気伝導性に関しては,ダイヤモンドは絶縁体であるが,黒鉛は電気伝導体である。
問 ダイヤモンドと黒鉛では,なぜ硬さと電気伝導性に違いが生じるのか。それぞれ理由を説明しなさい。
( 2013 千葉大学 理 )
■ダイヤモンドと黒鉛は,共に多数の炭素原子が共有結合によって結びついた結晶である。ダイヤモンドの結晶は無色で非常に硬く,宝石や研磨剤などに利用されている。一方,黒鉛は光沢のある灰黒色の結晶で,軟らかく電気をよく伝えるため,鉛筆の芯や電極などに使用されている。
問１ 黒鉛はダイヤモンドと比べると非常に軟らかい。なぜ黒鉛の結晶は軟らかいのか,その理由を説明せよ。
問２ 黒鉛がよく電気を通す理由を説明せよ。
(2012 大阪教育大学 教育 一部改)
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結晶格子に関する問題のチャート⑤(11枚の中の1枚)
溶液の濃度に関する問題のチャート①(4枚の中の1枚)
気体の製法と性質に関する問題チャート①(5枚の中の1枚)
アセタール化の計算問題のチャート③(7枚の中の1枚)
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