今回は神戸大学の過去問です。
もくじ
Ⅰ 化学平衡と平衡定数
「化学平衡と平衡定数」に関する問題です。この単元ではおなじみの「ヨウ素と水素からヨウ化水素が生成する反応」がテーマです。計算量はやや多いですが、問われている内容は基礎的なものですので、全問正解しておきたいところです。
問１ 難易度：★★☆☆☆
実験１において「ＨＩは存在せずＩ₂およびＨ₂の初濃度がいずれも２.００ｍｏｌ/Ｌのとき、反応開始直後のＨＩの生成濃度は１.６０×１０⁴ ｍｏｌ/（Ｌ・Ｓ）であった」とあります。
よって、ｖHI＝２ｖ₁より、ｖ₁＝\frac{１}{２} ×ｖHI＝８.００×１０³ ｍｏｌ/（Ｌ・Ｓ）
ｖ₁＝ｋ₁［Ｉ₂］［Ｈ₂］に
ｖ₁＝０.８０×１０⁴ 、［Ｉ₂］＝［Ｈ₂］ ＝２.００を代入して解くと、
ｋ₁＝２.０×１０³［Ｌ/（ｍｏｌ・Ｓ）］
また、実験３において「１０００Ｋにおいて、…平衡定数は２５であった」とあります。よって、
Ｋ＝ \frac{ ｋ₁ }{ ｋ₂ }＝ \frac{ ２.０×１０³ }{ ｋ₂ } ＝２５
よって、ｋ₂＝ ２.０×１０³ ÷ ２５＝８.０×１０¹［Ｌ/（ｍｏｌ・Ｓ）］
問２ 難易度：★★☆☆☆
実験２において、「１０００Ｋにおいて、Ｉ₂およびＨ₂は存在せず、ＨＩの初濃度がｘ［ｍｏｌ/Ｌ］のとき、反応開始直後のＩ₂の生成速度は７.２０×１０²［ｍｏｌ/（Ｌ・Ｓ）］であった」とありますから、
ｖI ₂＝ｖ₂＝ｋ₂［ＨＩ］² ＝ ８.０×１０¹×ｘ²＝７.２０×１０²［ｍｏｌ/（Ｌ・Ｓ）］
よって、
ｘ²＝７.２０×１０² ÷（８.０×１０¹）＝９ よって、ｘ＝３［ｍｏｌ/Ｌ］
問３ 難易度：★☆☆☆☆
【Ｉ₂】 Ｉ₂＝２５４だから、７６２ｇのＩ₂の物質量は、７６２÷２５４＝３［ｍｏｌ］
【Ｈ₂】気体の状態方程式ＰＶ＝ｎＲＴを変形して、
ｎH₂＝ \frac{ ＰＶ }{ ＲＴ } ＝１.０１×１０⁵×５０÷（８３００×３０３）＝ \frac{ ５００ }{ ２４９ }≒２（ｍｏｌ）
問４ 難易度：★★☆☆☆
Ｈ₂とＩ₂からＨＩが生じる反応において、分子数は変わらないので、反応が進んでも全圧は変わりません。よって、反応前の全圧を求めればよいことになります。
よって、気体の状態方程式Ｐ＝ \frac{ｎＲＴ}{Ｖ}をもちいて
Ｐ全圧＝\frac{（３＋２）×８３００×１０００}{５０}＝８.３×１０⁵（Ｐａ）
また、反応容器の容積は５０Ｌであることから、Ｉ₂およびＨ₂の初濃度を求めると、
［Ｉ₂］₀＝３ ÷ ５０＝０.０６（ｍｏｌ/Ｌ）
［Ｈ₂］₀＝２ ÷ ５０＝０.０４（ｍｏｌ/Ｌ）
実験３における平衡に至るまでのＩ₂およびＨ₂の変化量をｙ（ｍｏｌ/Ｌ）とおくと、０＜ｙ＜０.０４で、反応前の濃度、変化量、反応後の濃度をまとめると以下のようになります。
| Ｈ₂ | ＋ | Ｉ₂ | ⇄ | ２ＨＩ | |
| 反応前 | ０.０４ | ０.０６ | ０ | ||
| 変化量 | －ｙ | －ｙ | ＋２ｙ | ||
| 平衡時 | ０.０４－ｙ | ０.０６－ｙ | ２ｙ |
１０００Ｋにおける平衡定数が２５なので、
Ｋ＝\frac{（２ｙ）²}{ （０.０４－ｙ）（０.０６－ｙ）}＝２５
これを解くと、ｙ＝\frac{１}{３０}、\frac{３}{３５}
０＜ｙ＜０.０４より、ｙ＝\frac{１}{３０}
よって、反応後のＨ₂の分圧は、
（０.０４－\frac{１}{３０}）×８３００×１０００＝５５３３３.３…≒５.５×１０⁴（Ｐａ）
化学平衡の問題を解く上で、「反応前・変化量・平衡時」の表を書き、そこから方程式をつくって解くスキルは必須です。頻出項目ですので、できない人は練習しておきましょう。
問５ 難易度：★★☆☆☆
実験３、４の結果から、温度が高いほどが平衡定数は小さくなることがわかります。
平衡定数は分数\frac{［ＨＩ］²}{［Ｈ₂］［Ｉ₂］}であらわされるので、
温度が高くなる→平衡定数が小さくなる→Ｈ₂およびＩ₂濃度が増大し、ＨＩ濃度が減少する
ということが分かります。つまり、
Ｈ₂ ＋ Ｉ₂ ⇄ ２ＨＩ …①
の反応において温度を上げると、平衡は左に傾くということです。よって、①の逆反応（←の方向）は吸熱反応であり、正反応（→の方向）は発熱反応であると分かります。
Ⅱ 塩素の製法
「塩素の製法」に関する問題です。問題数は多いですが、どれも基本的な知識・内容ばかりです。合格のためには１問も落とせません。
問１ 難易度：★★☆☆☆
フッ素は水と激しく反応します。その反応式は、
２Ｆ₂ ＋ Ｈ₂Ｏ → ２ＨＦ ＋ Ｏ₂
となります。
問２ 難易度：★☆☆☆☆
塩素は水に溶けると、以下のように反応して、塩化水素（ＨＣｌ）と次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）を生じます。塩素の酸化数は、ＨＣｌにおいては－１、 ＨＣｌＯにおいては＋１となっています。
Ｃｌ₂ ＋ Ｈ₂Ｏ → ＨＣｌ ＋ ＨＣｌＯ
問３ 難易度：★☆☆☆☆
臭素水を脱色するのは不飽和結合をもつ炭化水素です。選択肢のうち不飽和結合をもつのはＣ₂Ｈ₄（エチレン）とＣ₂Ｈ₂（アセチレン）、不飽和結合をもたないのはＣ₂Ｈ₆（エタン）です。
問４ 難易度：★★☆☆☆
ヨウ素はそのままではほとんど水に溶けませんが、ヨウ化カリウム水溶液には以下のように反応して溶けます。
Ｉ₂ ＋ Ｉ⁻ → Ｉ₃⁻
こうしてできるのが、デンプンの検出でおなじみのヨウ素液です。このイオンは「三ヨウ化物イオン」といいますが、この名前は覚えなくてよいでしょう。
問５ 難易度：★★☆☆☆
下線部③の塩素の実験室的製法は酸化還元反応であり、塩化物イオンＣｌ⁻と酸化マンガン（Ⅳ）ＭｎＯ₂の半反応式から作ることが可能です。
２Ｃｌ⁻ → Ｃｌ₂ ＋ ２ｅ⁻ …（ア）
ＭｎＯ₂ ＋ ４Ｈ⁺ ＋ ２ｅ⁻ → Ｍｎ²⁺ ＋ ２Ｈ₂Ｏ…（イ）
（ア）＋（イ）より、
２Ｃｌ⁻ ＋ ＭｎＯ₂ ＋ ４Ｈ⁺ ＋ ２ｅ⁻ → Ｃｌ₂ ＋ Ｍｎ²⁺ ＋ ２Ｈ₂Ｏ ＋２ｅ⁻
その後、両辺の電子を相殺します。Ｈ⁺の供給源は塩酸なので、両辺に２Ｃｌ⁻を加えたのち、適宜イオンを組み合わせます。
４ＨＣｌ ＋ ＭｎＯ₂ → Ｃｌ₂ ＋ ＭｎＣｌ₂ ＋ ２Ｈ₂Ｏ
問６ 難易度：★★☆☆☆
洗気びんとは、気体中の不純物を液体で除去するための器具です。
ふつう、化学反応で得られた気体には未反応の気体や副生成物などが含まれますので、液体の中をコポコポと通すことにより、目的の気体以外の気体を取り除くのです。
③の反応で、発生することが予想される気体は、塩素Ｃｌ₂、水蒸気Ｈ₂Ｏ、そして塩化水素ＨＣｌです。このうち、水蒸気と塩化水素を取り除く必要があります。
水蒸気を吸収できる液体といえば、濃硫酸ですよね。
塩化水素ＨＣｌは塩素に比べ水に溶けやすい気体なので、水を通せば取り除けます。
塩化水素は酸性の気体だから「水酸化ナトリウム水溶液」と答えてしまった人もいるかもしれません。しかし、それだと塩素Ｃｌ₂も中和反応を起こして吸収してしまうので間違いです！
接続する順番も大事です。濃硫酸→水の順番に通してしまうと、せっかく吸収した水蒸気が、２つ目の洗気びんを通すことで再度混ざってしまいます。
よって、水が先で、濃硫酸が後が正解。
Ａは水、目的は塩化水素を除去するため。
Ｂが濃硫酸、目的は水蒸気を除去するため。
問７ 難易度：★★☆☆☆
塩素は水に少し溶け、空気より重い気体なので、下方置換で集めます。
塩素を塩化ナトリウム水溶液からつくるには下図のような反応槽をつかいます。反応槽を陽イオン交換膜によって２槽に分け、飽和ＮａＣｌ水溶液中のナトリウムイオンだけを陰極側に移動させ、電気分解をおこなうことで陽極より塩素Ｃｌ₂が生じます。
この製法は水酸化ナトリウムの工業的製法として教科書に載っていますね。水酸化ナトリウムは工業的に大量に消費されるので、この製法で必要な塩素の大部分をまかなうことができます。このように工業的製法では、一つの反応系で複数の物質をつくることがよくあります。
たとえば、フェノールをつくるクメン法では副産物としてアセトンができましたね。これによって得られるアセトンの量は需要に対して過剰です。よって、消費されるほとんどのアセトンはクメン法の副産物でまかなわれます。
問８ 難易度：★★☆☆☆
上図より、各電極で起こる反応は以下の通りです。
陰極の反応：２Ｈ₂Ｏ ＋ ２ｅ⁻ → Ｈ₂ ＋ ２ＯＨ⁻
陽極の反応：２Ｃｌ⁻ → Ｃｌ₂ ＋ ２ｅ⁻
問９ 難易度：★★☆☆☆
ＮａＯＨ＝４０より、水酸化ナトリウム８００ｍｇの物質量は、
\frac{８００}{１０００} ÷ ４０＝０.０２（ｍｏｌ）
また、問８の陰極のイオン反応式 （２Ｈ₂Ｏ ＋ ２ｅ⁻ → Ｈ₂ ＋ ２ＯＨ⁻）より、電子１ｍｏｌあたり水酸化物イオン１ｍｏｌが生じます。
よって、このとき流れた電子も０.０２ｍｏｌ であると分かります。
電流を流した時間をｔ秒とすると、電流の大きさが２Ａなので、その電気量は２ｔＣ（クーロン）だから、ファラデーの法則より、
９.６５×１０⁴×０.０２＝２ｔ
これを解いて、ｔ＝９６５（秒）
Ⅲ 有機化合物の構造決定
※この問題は問７に設問ミスがあり、大学により訂正されています。
令和3年度神戸大学学部一般選抜 (前期日程) の理科 (化学) における出題誤りについて
「有機化合物の構造決定」に関する問題です。設問ミスのあるいわくつきの問題ですが、それ以外は易～中レベルの標準的な問題なので、練習問題として取り組んでもいいでしょう。
問１ 難易度：★☆☆☆☆
ヨードホルムの分子式はＣＨＩ₃です。
「Ｈが３つだっけ、Ｉが３つだっけ」と迷うことがありますね。私は飼ってる猫が「チャイ」というので「チャイさん、チャイさん」と覚えていました。
問２ 難易度：★☆☆☆☆
試験管内でホルミル基（アルデヒド基）をもつ化合物にアンモニア性硝酸銀水溶液を加えてあたためると、試験管の内側に銀が析出します。これを銀鏡反応といいます。
ひと昔前は「アルデヒド基」だったのですが、今は「ホルミル基」がメインで使われてきているようです。日本化学会という大きな組織からの提案で変わっているようなので、だんだん置き換わっていくでしょう。「ホルミル基」で覚えましょう。
問３ 難易度：★☆☆☆☆
分子量１３４で質量組成が炭素８０.６%、水素７.５％なので、
Ｃ：１３４×\frac{８０.６}{１００} ÷１２≒９
Ｈ：１３４×\frac{７.５}{１００} ÷１≒１０
Ｃ₁₄Ｈ₂₀をオゾン分解しているからＯの数は１つです。
よって、Ｄ、Ｅ、Ｆに共通する分子式はＣ₉Ｈ₁₀Ｏとなります。
問４ 難易度：★☆☆☆☆
Ｇ、Ｈの分子式をＣxＨyＯとおくと、
Ｃ₁₄Ｈ₂₀ ＋ Ｏ₂ → Ｃ₉Ｈ₁₀Ｏ ＋ ＣyＨxＯ
よって、Ｇ、Ｈの分子式はＣ₅Ｈ₁₀Ｏ
問５ 難易度：★★☆☆☆
Ｇについての条件を箇条書きにして整理してみましょう。
・問４より、分子式はＣ₅Ｈ₁₀Ｏ
・オゾン分解していることからカルボニル基（－ＣＯ－）をもつ
・銀鏡反応を示さないことから、ホルミル基をもたない
・ヨードホルム反応を示すことからＣＨ₃－ＣＯの構造をもつ。
以上より、Ｇとして考えられる構造は、以下の２つです。
問６ 難易度：★★☆☆☆
Ｇと同様に、Ｈの条件を箇条書きにして整理してみましょう。
・問４より、分子式はＣ₅Ｈ₁₀Ｏ
・オゾン分解していることからカルボニル基（－ＣＯ－）をもつ
・銀鏡反応を示さないことから、ホルミル基をもたない
・ヨードホルム反応を示さないことからＣＨ₃－ＣＯの構造をもたない。
以上より、Ｈとして考えられる構造は、以下の１つだけです。
問７ 難易度：☆☆☆☆☆ 設問ミス
設問ミスがありますが、ひとまず設定どおり考えてみましょう。
Ｄ、Ｅ、Ｆの炭化水素基を酸化してカルボキシ基に置き換えた異性体Ｉ、Ｊ、Ｋについて考えます。これらは構造異性体で分子量２１０です。
ベンゼンＣ₆Ｈ₆＝７８、カルボキシ基－ＣＯＯＨ＝４５ですから、ベンゼン環の水素原子のうち３つがカルボキシ基に置換された構造だと分かります。よって、Ｉ、Ｊ、Ｋの構造として考えられるのは以下の（ア）（イ）（ウ）の３つです。
また、Ｄ、Ｅ、Ｆの炭素数が９であることから、ベンゼン環以外の炭素数は３です。これが酸化されて上記のＩ、Ｊ、Ｋのいずれかになるのですから、酸化により炭素は１つも減らないことになります。
Ｃ₉Ｈ₁₀Ｏという分子式から考えて、Ｄ、Ｅ、Ｆはベンゼン環にホルミル基が１つ、メチル基－ＣＨ₃が２つ結合したものだとわかります。よって、候補として以下の（エ）～（ケ）の６つが考えられます。
さらに、置換基の位置関係より、以下の対応関係があります。
| Ｄ、Ｅ、Ｆ | Ｉ、Ｊ、Ｋ | |
| （エ）、（オ）、（カ） | ― 酸化 → | （ア） |
| （キ）、（ク） | ― 酸化 → | （イ） |
| （ケ） | ― 酸化 → | （ウ） |
ここで実験５の結果をあわせて考えます。
まず、「Ｋのベンゼン環に直接結合している水素原子はすべて性質が同じ」とあります。（ア）、（イ）、（ウ）のうち水素原子の性質がすべて同じものは（ウ）ですので、（ウ）がＫであり、酸化前の物質を考えると（ケ）がＦであることが分かります。
次に、「Ｅ、Ｆ、Ｉ、Ｊにはそれぞれ２種類」あります。（エ）～（ケ）の中でこれにあたるのは（キ）と（ケ）です。（ケ）はＦなので、Ｅは（キ）でとなります。ここから、Ｅを酸化してできるＪは（イ）だと分かります。
ここまでで分かっていることを表にまとめると以下の通りです。
| Ｄ、Ｅ、Ｆ | Ｉ、Ｊ、Ｋ | |
| （エ）、（オ）、（カ） | ― 酸化 → | （ア） |
| （キ）=E、（ク） | ― 酸化 → | （イ）=J |
| （ケ）＝F | ― 酸化 → | （ウ）＝K |
このように考えると、消去法により（ア）がＩとなります。
酸化して（ア）すなわちＩとなるのはＤであり、その候補は（エ）、（オ）、（カ）。本文には、性質の異なる水素原子が「Ｄには３種類」あると書いてます。しかし、Ｄの候補である（エ）、（オ）、（カ）はすべてこれにあてはまります。
問題からしぼり切れるのはここまで。Ｄの構造を決定することができません。よって、設問ミスです。
設問ミスはあってはならないことですが、出題者も人間です。限られた時間で問題をつくっているので、常にミスが起こる可能性はあります。この問題は「全員を正解とする」という対応となり「合否に影響なし」としていますが、この問題で悩んで時間を費やした受験生は損をしたことになります。どうしても答えが条件に合わないといって時間を使うことはリスキーです。５分以上悩んだらあきらめて次の問題へ進むことも大切です。
また余談ですが、大学の出している訂正にも疑問が残ります。
誤：Ｉ，Ｊ，Ｋは 互いに異性体 であり
正：Ｉ，Ｊ，Ｋは 同じ分子式 であり
としていますが、Ｉ、Ｊ、Ｋが互いに異性体でなく、Ｉ＝Ｊ＝（ウ）となる可能性があったとしても、Ｄの候補が（エ）、（オ）、（カ）、（ク）に増えるだけで、Ｄの構造を決定することはできません。
Ⅳ ペプチドのアミノ酸配列決定
「ペプチドのアミノ酸配列決定」に関する問題です。実験結果から得られる様々な情報をいかにまとめて構造を決定するかが大事です。
問１ 難易度：★★☆☆☆
（ア）タンパク質（ペプチド）を水酸化ナトリウムと加熱後、酢酸鉛（Ⅱ）水溶液で黒色沈殿を生じます。この反応はシステインの側鎖中の硫黄原子との反応によります。
（イ）（ウ）濃硝酸を加えて加熱するとアミノ酸の側鎖中のベンゼン環がニトロ化されて黄色くなります。
（エ）（オ）エタノール溶液に濃硫酸を加えて加熱しているので、ペプチドのＣ末端や側鎖にあるカルボキシ基とのエステル化反応であると分かります。
（カ）アミノ基をほかの官能基に置き換えることで乳酸に変わるアミノ酸はアラニンで、その官能基はヒドロキシ基です。
問２ 難易度：★☆☆☆☆
実験１より、側鎖にＳ（硫黄）をもつシステイン（Ｃ）が含まれることがわかります。
実験２より、側鎖にベンゼン環をもつチロシン（Ｙ） が含まれることがわかります。
問３ 難易度：★☆☆☆☆
実験２より、ペンタペプチドを構成する５つのアミノ酸のうちの１つがチロシンであることがわかります。よって、１つのベンゼン環がニトロ化されるので、１つの水素原子－Ｈ（＝１）がニトロ基－ＮＯ₂（４６）に置き換わることから、分子量は４５増加します。
問４ 難易度：★★☆☆☆
実験３の結果より、カルボキシ基の数だけエタノールとエステル化を起こします。よって、ペプチド②は１つ、ペプチド①は２つ、ペプチド③は３つのカルボキシ基を持つことが分かります。
カルボキシ基－ＣＯＯＨ（＝４５）がエチルエステル－ＣＯＯＣ₂Ｈ₅（＝７３）に置き換わりますので、カルボキシ基１か所につき分子量は２８増加します。
問５ 難易度：★★☆☆☆
問４より、ペプチド③は３つのカルボキシ基をもちます。ペプチド１つにつきＣ末端は１つしかないので、ペプチド③はＣ末端以外に、側鎖にカルボキシ基を持つアミノ酸を２つ含むことが分かります。
問６ 難易度：★★☆☆☆
ペプチド①について実験１～５からわかることを箇条書きにしてまとめていきます。
実験１：硫黄検出反応陰性より、システインを含まない
実験２：ベンゼン環をもつから、チロシンを含む
実験３：カルボキシ基を２つもつからアスパラギン酸またはグルタミン酸を含む
実験４：ビウレット反応陰性であることから、アミノ酸２つ以下
実験５：ペプチド③との分子量の差は４８
実験１～４より、ペプチド①は「チロシンとアスパラギン酸」か「チロシンとグルタミン酸」のジペプチドであると分かります。
それぞれの分子量は、
チロシンとアスパラギン酸 ：１８１＋１３３－１８＝２９６
チロシンとグルタミン酸 ：１８１＋１４７ー１８＝３１０
一方、ペプチド③は実験３よりカルボキシ基を３つもち、実験４よりアミノ酸２つ以下であることから 「アスパラギン酸とグルタミン酸」 からできるジペプチドであることが分かります。
その分子量は、１３３＋１４７－１８＝２６２
よって、②は分子量３１０でありるチロシンとグルタミン酸からなるジペプチドであると分かります。
問７ 難易度：★★☆☆☆
まだ、ペプチド②について、あまり考察が進んでいないので、ペプチド②について、実験１～４からわかることをまとめていきます。
実験１：硫黄検出反応陽性より、システインを含む
実験２：ベンゼン環をもつから、チロシンを含む
実験３：カルボキシ基が１つなので、アスパラギン酸もグルタミン酸を含まない
実験４：ビウレット反応陽性であることから、アミノ酸３つ以上
ここで、ペンタペプチドに含まれる５つのアミノ酸について、システイン、チロシン、アスパラギン酸、グルタミン酸、アラニンであると確定します。
ペプチド②についてアミノ酸３つ以上で、アスパラギン酸もグルタミン酸を含まないことから、ペプチド②はシステイン、チロシン、アラニンからなるトリペプチドであることが分かります。また、実験６よりＮ末端はアラニンです。
ペプチド①、②、③についてわかっていることをまとめます。
ペプチド①：チロシンとグルタミン酸からなるジペプチド
→ ＥＹまたはＹＥ
ペプチド②：アラニンがＮ末端にありシステインとチロシンも含むトリペプチド
→ ＡＣＹまたはＡＹＣ
ペプチド③：アスパラギン酸とグルタミン酸からなるジペプチド
→ ＤＥまたはＥＤ
これがすべてペンタペプチドを加水分解して得られることから、そのアミノ酸配列はＮ末端からＡＣＹＥＤとなります。
