化学
共通テスト対策
この科目の共通テストでの傾向
「化学」は、「化学基礎」のような基礎を付した科目とは異なり、単独で60分の試験時間が与えられる、理科の中でも大きな比重をもつ科目です。「物理基礎」「化学基礎」のように2つの基礎科目を組み合わせて60分で解答する形式とは違い、化学1科目にじっくり60分間取り組むことになるため、出題される範囲も内容の深さも、基礎科目よりはるかに広く、そして深くなります。
出題範囲は、この「電気化学」「熱化学」の2単元だけでなく、「化学結合と結晶」「物質の状態変化」「溶液」「反応速度と化学平衡」を含めた、化学(発展)の全単元に加えて、化学基礎で学んだ物質量・化学反応式・酸と塩基・酸化還元反応といった基礎知識も、随所で前提として使われます。たとえば電気分解の量的関係を問う問題では化学基礎の物質量計算の力が、電気化学の反応式を書く問題では酸化還元反応の考え方が、そのまま土台になります。「化学」は基礎科目の知識の上に積み上げられた科目である、という意識を持って全体を復習することが大切です。
出題形式としては、単純な知識の暗記や公式の当てはめだけでなく、実験の手順・結果を読み取らせる問題、グラフや図表からデータを読み取って計算させる問題、日常生活や工業プロセスと関連づけた題材(電池や電気分解が金属の製錬やリチウムイオン電池に応用されている例、反応速度や平衡の考え方が工業的な製造条件の工夫に応用されている例など)を扱った長めのリード文つきの問題が目立ちます。計算量も基礎科目より多く、有効数字を意識した桁数の合った答えを、限られた時間内に出す練習が欠かせません。
時間配分の面では、大問数が多く、また計算に時間のかかる大問(気体の状態方程式、電気分解の量的関係、化学平衡の平衡定数計算など)が複数含まれることが多いため、まず全体にざっと目を通し、知識問題や短時間で解ける問題から手早く片付けて、時間のかかる計算問題に十分な時間を残す戦略が有効です。
単元別の対策ポイント
化学結合と結晶
- イオン結晶・共有結合の結晶・金属結晶・分子結晶について、結合の種類と、それぞれの結晶が示す性質(融点の高低、電気伝導性、硬さなど)を対応づけて整理しておきましょう。
- 単位格子の計算(組成式単位数、配位数、充填率、密度の計算)は頻出です。頂点・辺・面・内部にあるイオンや原子の「共有のされ方」による数え方($\frac18$、$\frac14$、$\frac12$、$1$)を、図をイメージしながら確実に扱えるようにしておきましょう。
物質の状態変化
- ボイル・シャルルの法則と理想気体の状態方程式 $PV=nRT$ は、単位(圧力の単位、絶対温度への変換)に注意しながら、確実に計算できるようにしておく必要があります。
- 混合気体の分圧の計算(分圧の法則)や、蒸気圧を考慮した気体の体積・圧力の計算は、「本当に全部気体のままか、一部が凝縮していないか」を確認する視点が問われることが多い分野です。
溶液
- 希薄溶液の性質(蒸気圧降下・沸点上昇・凝固点降下・浸透圧)は、いずれも溶質の粒子の数(モル濃度や質量モル濃度)に比例するという共通点を軸に整理すると覚えやすくなります。
- 電解質溶液では、電離によって粒子の数が増えることを考慮に入れ忘れないようにしましょう(NaClなら1molが2molの粒子に電離する、など)。
反応速度と化学平衡
- 反応速度式やアレニウスの式は、温度や濃度を変えたときに反応速度がどう変化するかを、グラフや実験データと結びつけて理解しておくことが大切です。
- 化学平衡の状態が、濃度・圧力・温度の変化に対してどちらへ移動するかを判断する「ルシャトリエの原理」は、平衡定数の式を書いてから考えると、感覚に頼らず論理的に判断できます。電離平衡・緩衝液・溶解度積も、この単元の考え方(平衡定数を使った量的関係)の応用にあたります。
電気化学
- 電池の「正極・負極」と、電気分解の「陽極・陰極」の呼び方・反応の対応関係を、混同しないように整理しておきましょう。
- 電気分解では、陰極はイオン化傾向、陽極は電極の材質(活性電極か不活性電極か)によって起こる反応が変わることを、パターンとして覚えておくと素早く判断できます。
- ファラデーの法則を使った計算($Q=It$、$n_e=Q/F$、$n=n_e/z$)は、電気化学の計算問題の中心です。手順を機械的に踏めるように練習しておきましょう。
熱化学
- 反応エンタルピー $\Delta H$ の符号のルール(発熱反応は $\Delta H<0$、吸熱反応は $\Delta H>0$)を、確実に身につけておきましょう。
- ヘスの法則を使った計算(熱化学反応式の足し算・引き算、生成エンタルピーからの計算)と、結合エネルギーを使った計算は、どちらも「反応物・生成物のエネルギーの差」を求めるという同じ発想に基づいています。両方の解き方を比較しながら整理しておくと理解が深まります。
実戦問題
共通テスト形式の問題を解いて、実戦力を確認してみましょう。
実戦問題1
問題
硫酸銅(II)水溶液を、白金電極を用いて $2.00\ \mathrm{A}$ の電流で $1930\ \mathrm{s}$ 間電気分解した。陰極に析出する銅の質量として最も適当な数値を、次の①~④のうちから一つ選べ。ただし、ファラデー定数は $9.65\times10^4\ \mathrm{C/mol}$、$\ce{Cu}$ の原子量は $64$ とする。
① $0.32\ \mathrm{g}$ ② $0.64\ \mathrm{g}$ ③ $1.28\ \mathrm{g}$ ④ $2.56\ \mathrm{g}$
解答・解説を見る
流れた電気量は、
$Q = It = 2.00\times 1930 = 3860\ \mathrm{C}$
電子の物質量は、
$n_e = \frac{3860}{9.65\times10^4} = 0.0400\ \mathrm{mol}$
陰極の反応は $\ce{Cu^2+ + 2e- -> Cu}$ なので、析出する $\ce{Cu}$ の物質量は、
$n(\ce{Cu}) = \frac{0.0400}{2} = 0.0200\ \mathrm{mol}$
質量に直すと、
$0.0200\times 64 = 1.28\ \mathrm{g}$
答え:③
実戦問題2
問題
次の熱化学反応式について、正しい記述を、下の①~④のうちから一つ選べ。
$\ce{C(s) + O2(g) -> CO2(g)} \qquad \Delta H = -394\ \mathrm{kJ}$
① この反応は吸熱反応であり、周囲から $394\ \mathrm{kJ}$ の熱を吸収する。 ② この反応は発熱反応であり、周囲に $394\ \mathrm{kJ}$ の熱を放出する。 ③ $\Delta H$ の値が負であることは、生成物のエンタルピーが反応物のエンタルピーより高いことを意味する。 ④ この反応式は、黒鉛 $2\ \mathrm{mol}$ が燃焼したときの熱の出入りを表している。
解答・解説を見る
$\Delta H<0$ は発熱反応を意味し、反応系(黒鉛と酸素)のエンタルピーより生成系(二酸化炭素)のエンタルピーの方が低いことを表します(③は誤り)。この反応式の係数はすべて1なので、黒鉛1molが燃焼したときの熱の出入りを表しています(④は誤り)。発熱反応なので、反応が進むと周囲に $394\ \mathrm{kJ}$ の熱が放出されます(①は誤り、②が正しい)。
答え:②
実戦問題3
問題
密閉容器内で、次の可逆反応が平衡状態にある。
$\ce{N2(g) + 3H2(g) <=> 2NH3(g)} \qquad \Delta H = -92\ \mathrm{kJ}$
この平衡混合物の温度を上げたとき、平衡はどうなるか。最も適当なものを、次の①~④のうちから一つ選べ。
① 発熱方向(右向き)に移動し、$\ce{NH3}$ の割合が増加する。 ② 吸熱方向(左向き)に移動し、$\ce{NH3}$ の割合が減少する。 ③ 平衡は移動しない。 ④ 圧力が変化するため、平衡は不規則に移動する。
解答・解説を見る
ルシャトリエの原理により、平衡状態にある系の温度を上げると、その変化を打ち消す(温度を下げようとする)方向、すなわち吸熱方向に平衡が移動します。この反応は右向き($\ce{NH3}$ 生成方向)が発熱反応($\Delta H<0$)なので、左向き($\ce{NH3}$ が分解する方向)が吸熱方向にあたります。したがって、温度を上げると平衡は左に移動し、$\ce{NH3}$ の割合は減少します。
答え:②