2024年度 大学入学共通テスト 本試験 化学基礎 解答・解説

＜問題要旨＞

元素の単体が、常温・常圧（約25℃、1気圧）でどの状態（固体・液体・気体）をとるか、周期表の基本的な知識を問う問題です。

＜選択肢＞

①【誤】

リチウム(Li)はアルカリ金属に属し、常温・常圧では銀白色の固体です。

②【誤】

ベリリウム(Be)はアルカリ土類金属に属し、常温・常圧では銀白色の固体です。

③【正】

塩素(Cl)はハロゲンに属し、常温・常圧では分子(Cl2​)を形成し、黄緑色の気体として存在します。

④【誤】

ヨウ素(I)はハロゲンに属し、常温・常圧では分子(I2​)を形成し、黒紫色の固体として存在します。昇華しやすい性質を持ちます。

＜問題要旨＞

第4周期までの典型元素に関する、周期的な性質（炎色反応、価電子、電気陰性度、貴ガスの電子配置）についての記述の正誤を判断する問題です。

＜選択肢＞

①【正】

リチウム（赤）、ナトリウム（黄）、カリウム（紫）など、アルカリ金属元素はそれぞれ特有の炎色反応を示します。この色の違いによって、元素の種類を区別することができます。

②【正】

周期表の2族に属する元素は、最外殻に2個の電子を持ちます。これらの電子が価電子として化学反応に関与します。

③【正】

電気陰性度は、周期表の右上にいくほど大きくなる傾向があります。17族元素（ハロゲン）では、原子番号が小さいフッ素(F)が最も電気陰性度が大きく、塩素(Cl)、臭素(Br)、ヨウ素(I)の順に小さくなります。

④【誤】

貴ガス（希ガス）元素は、最外殻電子配置が安定しているため不活性です。しかし、第1周期のヘリウム(He)の最外殻電子は2個です。ネオン(Ne)やアルゴン(Ar)など第2周期以降の貴ガス元素は最外殻電子を8個持ちますが、「貴ガス元素の原子は、8個の最外殻電子をもつ」と一般化するのはヘリウムの例外があるため誤りです。

＜問題要旨＞

示された記述の中に、物質が固体・液体・気体の間でその状態を変える「状態変化」が含まれているかどうかを判断する問題です。

＜選択肢＞

①【ア、イ、ウすべてに状態変化が含まれる】

ア：海水を蒸留する過程では、海水を加熱して水蒸気（気体）にし、それを冷却して純粋な水（液体）を得ます。これには、液体から気体への「蒸発」と、気体から液体への「凝縮」という状態変化が含まれます。

イ：雪（固体）が手のひらの熱で水（液体）に変わるのは、固体から液体への「融解」という状態変化です。

ウ：ドライアイス（二酸化炭素の固体）が室温で小さくなるのは、固体から直接気体の二酸化炭素に変わる「昇華」という状態変化によるものです。

以上より、ア、イ、ウのすべてに状態変化が含まれています。

＜問題要旨＞

化学電池の種類や原理（二次電池、燃料電池、電極の定義、鉛蓄電池）に関する基本的な知識を問う問題です。

＜選択肢＞

①【正】

二次電池は、放電によって電気エネルギーを取り出した後、外部電源から逆向きの電流を流して充電することで、活物質を元の状態に戻し、繰り返し使用することができる電池です。代表例に鉛蓄電池やリチウムイオン電池があります。

②【誤】

燃料電池は、水素などの燃料と酸素などの酸化剤を化学的に反応させ、その際に発生する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置です。燃料を燃焼させるわけではありません。

③【誤】

電極の定義では、電子が流れ込む（物質が電子を受け取る＝還元反応が起こる）電極を「正極」、電子が流れ出す（物質が電子を失う＝酸化反応が起こる）電極を「負極」といいます。記述は「電子が流れ込んで酸化反応が起こる」となっており、定義と矛盾しています。

④【誤】

鉛蓄電池の電解質として用いられるのは、希硫酸(H2​SO4​)です。

＜問題要旨＞

ケイ素(Si)とその酸化物である二酸化ケイ素(SiO2​)の構造、分類、性質に関する記述の正誤を判断する問題です。

＜選択肢＞

①【正】

ケイ素(Si)は炭素(C)と同じ14族元素であり、結晶構造はダイヤモンドとよく似ています。1つのケイ素原子が4つの価電子を用いて、周囲の4つのケイ素原子と共有結合し、正四面体が連なった共有結合結晶を形成します。

②【正】

ケイ素は金属光沢を持ちますが、電気伝導性などの性質は金属と非金属の中間に位置します。このような元素を半金属またはメタロイドと呼びますが、高校化学の分類では非金属元素に分類されます。

③【誤】

半導体の性質を示すのは、単体のケイ素(Si)です。二酸化ケイ素(SiO2​)の結晶（石英や水晶）は、共有結合で固く結びついており自由電子を持たないため、電気をほとんど通さない絶縁体です。

④【正】

二酸化ケイ素(SiO2​)の結晶では、1つのケイ素原子(Si)が4つの酸素原子(O)と、1つの酸素原子(O)が2つのケイ素原子(Si)と、それぞれ共有結合しています。これにより、Si原子とO原子が交互に結合した三次元的な網目構造の共有結合結晶が形成されます。

＜問題要旨＞

与えられた性質（色・臭い、燃焼との関係、密度）を手がかりに、4つの候補（酸素、窒素、アンモニア、アルゴン）の中から該当する気体を特定する問題です。

＜選択肢＞

ア 無色・無臭である。

この時点で、特有の刺激臭を持つアンモニア(NH3​)が除外されます。残る候補は酸素(O2​)、窒素(N2​)、アルゴン(Ar)です。

イ 容器の中に火のついた線香を入れると、火が消える。

酸素(O2​)には物質を燃やすのを助ける性質（助燃性）があるため、火のついた線香を入れると炎が大きくなります。したがって、酸素は除外されます。窒素(N2​)とアルゴン(Ar)は燃焼を助けないため、火は消えます。

ウ 密度は、同じ温度・圧力の空気と比べて大きい。

空気の平均分子量は約29です（窒素が約80%、酸素が約20%を占めるため）。

・窒素(N2​)の分子量は 14×2=28 であり、空気よりわずかに小さいです。

・アルゴン(Ar)の原子量は 40 であり、空気より大きいです。

以上の3つの条件をすべて満たすのはアルゴン(Ar)です。

＜問題要旨＞

メタンの完全燃焼反応における、生成物（水）の質量からもう一方の生成物（二酸化炭素）の質量を求める、化学反応の量的計算問題です。

＜選択肢＞

まず、メタン(CH4​)の完全燃焼を表す化学反応式を立てます。

CH4₄+2O₂​→CO₂​+2H₂​O

次に、生成した水の物質量(mol)を計算します。水の分子量は H₂O=1.0×2+16=18 なので、モル質量は 18 g/mol です。

生成した水の物質量 = 18 g/18 g/mol=1.0 mol

化学反応式の係数から、生成する二酸化炭素(CO₂)と水(H₂O)の物質量の比は 1 : 2 です。

したがって、生成した二酸化炭素の物質量は、

生成した水の物質量 ×(1/2)=1.0 mol×(1/2)=0.50 mol

最後に、生成した二酸化炭素の質量(g)を計算します。

二酸化炭素の分子量は CO₂=12+16×2=44 なので、モル質量は 44 g/mol です。

生成した二酸化炭素の質量 = 0.50 mol×44 g/mol=22 g

よって、正解は22 gです。

＜問題要旨＞

酸と塩基の定義、中和反応、水溶液の性質(pH)に関する記述の正誤を判断する問題です。

＜選択肢＞

①【正】

水(H₂O)は、反応相手が塩酸(HCl)のような酸であれば塩基として振る舞い、アンモニア(NH₃)のような塩基であれば酸として振る舞います。このような性質を両性といいます。

②【誤】

中和反応において重要なのは、酸から生じる H+ の総量と、塩基から生じる OH− の総量です。酸の価数と物質量が同じであれば、その酸が強酸（例：塩酸）であろうと弱酸（例：酢酸）であろうと、中和に必要な塩基の物質量は同じになります。酸の強弱は電離度の違いであり、中和に必要な塩基の量には影響しません。

③【正】

水溶液の酸性の強さは水素イオン濃度 [H+] で表されます。また、pH（水素イオン指数）を用いることで、酸性・塩基性の度合いをより分かりやすく示すことができます。

④【正】

酸の水溶液を水で薄めていくと、水素イオン濃度 [H+] が減少し、pHは7に近づいていきます。しかし、どれだけ薄めても水自体の電離があるため、中性のpH=7（25℃の場合）を越えて塩基性になることはありません。

＜問題要旨＞

与えられたイオンや化合物中の下線を付した原子について、酸化数を計算し比較する問題です。

＜選択肢＞

酸化数のルールに基づいて計算します。

・化合物中のO原子の酸化数は-2、H原子の酸化数は+1とする。

・化合物全体の酸化数の総和は0、イオン全体の酸化数の総和はそのイオンの価数とする。

① SO₄^2－​

Sの酸化数をxとすると、x+(−2)×4=−2。これを解いて、x=+6。

② HNO₃

Nの酸化数をxとすると、(+1)+x+(−2)×3=0。これを解いて、x=+5。

③ MnO₂

Mnの酸化数をxとすると、x+(−2)×2=0。これを解いて、x=+4。

④ NH₄^＋

Nの酸化数をxとすると、x+(+1)×4=+1。これを解いて、x=−3。

各原子の酸化数は、Sが+6、Nが+5、Mnが+4、Nが-3となり、最も大きいのは①のSの+6です。

＜問題要旨＞

混合気体のモル質量に関するグラフの読解と、アボガドロの法則を利用した計算問題です。

＜選択肢＞

1. 気体アとイのモル質量をグラフから読み取る
   ・グラフの横軸「混合気体中の気体アの物質量の割合(%)」が100%の点を見ると、混合気体のモル質量は 16 g/mol です。これが気体アのモル質量です。
   ・同様に、横軸が0%（すべて気体イ）の点を見ると、モル質量は 40 g/mol です。これが気体イのモル質量です。
2. 容器に封入した気体の物質量を求める
   ・アボガドロの法則により、「同じ温度・圧力条件で同じ体積」の気体は、種類によらず同じ物質量(mol)を含みます。
   ・最初にアのみを封入したときの質量は0.64 g、アのモル質量は16 g/molなので、その物質量は、
   0.64 g/16 g/mol=0.040 mol
   ・したがって、次に封入した混合気体の総物質量も 0.040 mol となります。
3. 混合気体の平均モル質量を計算する
   ・混合気体の質量は1.36 g、総物質量は0.040 molなので、その平均モル質量は、
   1.36 g/0.040 mol=34 g/mol
4. アの物質量の割合を求める
   ・混合気体の平均モル質量が34 g/molのときのアの割合を、グラフの縦軸から探します。34 g/molに対応する横軸の値は「25」%です。

（計算による確認）

アの割合をx%とすると、

16×(x/100)+40×((100−x)/100)=34

16x+4000−40x=3400

600=24x

x=25

よって、アの物質量の割合は25%です。

＜問題要旨＞

水の電気分解 (2H₂O→2H₂+O₂) に関する記述の正誤を判断する問題です。

＜選択肢＞

①【正】

水の電気分解では、陽極で酸化反応 (2H₂​O→O₂+4H^＋+4e^－) が起こり、酸素(O₂)が発生します。陰極では還元反応 (2H^＋+2e^－→H₂​) が起こり、水素(H₂​)が発生します。

②【正】

酸素(O₂​)は水に溶けにくい気体であるため、発生した気体を集める方法として水上置換法が適しています。

③【正】

この反応では、H原子の酸化数が+1から0へ、O原子の酸化数が-2から0へと変化しています。原子の酸化数に変化がある反応は酸化還元反応です。

④【誤】

化学反応式 2H₂O→2H₂+O₂の係数比から、生成する水素(H₂)と酸素(O₂​)の物質量の比は 2 : 1 です。それぞれのモル質量は H₂が約2.0 g/mol、 O₂が32 g/molなので、生成する質量の比は、

(物質量 × モル質量) の比 = (2×2.0):(1×32)=4:32=1:8 となります。したがって、質量比が1:16という記述は誤りです。

解答番号12：正解⑥

＜問題要旨＞

サバティエ反応 (CO₂+4H₂​→CH₄+2H₂O) において、反応前後での炭素原子(C)と酸素原子(O)の酸化数の変化を判断する問題です。

＜選択肢＞

反応物と生成物における各原子の酸化数を調べます。

・反応前のCO₂：Oの酸化数は-2。Cの酸化数をxとすると x+(−2)×2=0 より、Cの酸化数は+4。

・反応後のCH₄​：Hの酸化数は+1。Cの酸化数をyとすると y+(+1)×4=0 より、Cの酸化数は-4。

・反応後のH₂​O：Oの酸化数は-2。

酸化数の変化を見ると、

・C原子：+4 → -4 に変化。酸化数が減少したので「還元された」。

・O原子：-2 → -2 で変化なし。「酸化も還元もされない」。

したがって、C原子は還元され、O原子は酸化も還元もされない、という組合せが正しいです。

解答番号13：正解②

＜問題要旨＞

4つの異なる化学反応において、2種類の反応物をそれぞれ1 molずつ用いた場合に、最も多くの二酸化炭素(CO2​)が生成される反応を選ぶ問題です。化学反応の量的関係（過不足）を考える必要があります。

＜選択肢＞

各反応について、反応物を1 molずつ用いた場合のCO2​の生成量を計算します。

ア CaCO₃+2HCl→⋯+CO₂​

係数比が 1 : 2 なので、1 molのCaCO₃​と1 molのHClではHClが不足します。

HCl 1 molを基準に考えると、生成するCO2​は 1×(1/2)=0.5 mol。

イ (COOH)₂+H₂O₂​→⋯+2CO₂

係数比が 1 : 1 なので、1 molずつの反応物で過不足なく反応します。(COOH)₂ 1 molからCO₂が2 mol生成します。

ウ Fe₂​O₃+3CO→⋯+3CO₂

係数比が 1 : 3 なので、1 molのFe₂​O₃と1 molのCOではCOが不足します。CO 1 molを基準に考えると、COとCO₂の係数比が 3 : 3 = 1 : 1 なので、生成するCO₂​は 1 mol。

エ 2CO+O₂​→2CO₂

係数比が 2 : 1 なので、1 molのCOと1 molのO₂​ではCOが不足します。CO 1 molを基準に考えると、COとCO₂の係数比が 2 : 2 = 1 : 1 なので、生成するCO2​は 1 mol。

比較すると、ア(0.5 mol)、イ(2 mol)、ウ(1 mol)、エ(1 mol)となり、最も$CO_2$の生成量が多いのはイです。

解答番号14,15：正解①⑤

＜問題要旨＞

メタン(CH₄​)と、その水素原子が塩素原子(Cl)に置換された4つの化合物のうち、分子全体として極性を持たない「無極性分子」を2つ選ぶ問題です。分子の極性は、結合の極性と分子の形（対称性）によって決まります。

＜選択肢＞

5つの分子はすべて、中心の炭素原子から4方向に結合が伸びた正四面体形の構造をとります。

・結合の極性：C-H結合、C-Cl結合はどちらも極性を持っています。

・分子の極性：分子が対称な構造を持ち、結合の極性が互いに打ち消しあう場合に、分子全体として無極性になります。

① CH₄​（メタン）：4つのC-H結合が正四面体状に配置され、結合の極性が互いに打ち消しあうため、無極性分子です。

② CH₃Cl：C-H結合3つとC-Cl結合1つでは、極性が打ち消しあわず、分子全体として極性を持ちます（極性分子）。

③ CH₂​Cl₂：C-H結合2つとC-Cl結合2つでは、極性が打ち消しあわず、極性分子となります。

④ CHCl₃​：C-H結合1つとC-Cl結合3つでは、極性が打ち消しあわず、極性分子となります。

⑤ CCl₄​（四塩化炭素）：4つのC-Cl結合が正四面体状に配置され、結合の極性が互いに打ち消しあうため、無極性分子です。

したがって、無極性分子はCH₄とCCl₄（①と⑤）です。

解答番号16：正解⑤

＜問題要旨＞

水の電気分解 (2H₂O→2H₂+O₂) の反応式に基づき、一定質量の酸素(O₂)を生成するために必要な水(H₂O)の質量を計算する問題です。

＜選択肢＞

1. 生成する酸素の物質量を計算する
   生成するO₂は 3.2 kg = 3200 g です。O₂​のモル質量は 16×2=32 g/mol なので、
   O₂の物質量 = 3200 g/32 g/mol=100 mol
2. 必要な水の物質量を計算する
   化学反応式 2H₂O→2H₂​+O₂​ の係数比から、必要なH2​Oと生成するO2​の物質量の比は 2 : 1 です。
   必要なH₂Oの物質量 = 100 mol×2=200 mol
3. 必要な水の質量を計算する
   H₂​Oのモル質量は 1.0×2+16=18 g/mol です。
   必要なH₂​Oの質量 = 200 mol×18 g/mol=3600 g
   3600 g は 3.6 kg なので、これが答えです。

解答番号17：正解③

＜問題要旨＞

サバティエ反応 (CO₂+4H₂→CH₄​+2H₂​O) において、1 molのCO₂​に対して加えるH₂​の量と、それに伴って生成するH₂Oの量の関係を正しく表したグラフを選ぶ問題です。

＜選択肢＞

反応式の係数比は CO₂:H₂:H₂O=1:4:2 です。

CO₂​が1 molあるので、この反応が完了するにはH₂​が4 mol必要で、そのときH₂Oは2 mol生成します。

・H₂が0 molから4 molまで：加えたH₂​がすべて反応します。H₂とH₂​Oの生成比は 4 : 2 = 2 : 1 なので、加えたH₂​の物質量の半分の物質量のH₂​Oが生成します。これは、グラフの原点(0,0)と点(4,2)を結ぶ直線になります。

・H₂​が4 molを超えた場合：CO₂​がすべて消費されてしまっているので、それ以上H₂​を加えても反応は進みません。したがって、H₂​Oの生成量は最大値である2 molのまま一定になります。

この関係を表しているグラフは③です。横軸（使用したH₂）が4 molに達するまで、縦軸（生成したH₂O）は2 molまで直線的に増加し、その後は一定になっています。

解答番号18：正解③

＜問題要旨＞

水の電気分解で生成した水素(H₂​)をすべて用いてサバティエ反応を行った場合に、得られる水(H₂O)の質量を計算する、2段階の化学反応の量的計算問題です。

＜選択肢＞

1. 電気分解で生成した水素の物質量を求める
   解答番号16より、3.2 kg (100 mol) のO₂​が生成したことがわかっています。
   反応式 2H₂​O→2H₂​+O₂​ の係数比から、同時に生成するH₂​とO₂​の物質量比は 2 : 1 です。
   生成したH₂​の物質量 = 100 mol (O₂)×2=200 mol
2. サバティエ反応で得られる水の物質量を求める
   この200 molのH2​をすべて用います（CO₂は十分量ある）。
   反応式 CO₂​+4H₂​→CH₄​+2H₂​O の係数比から、H₂​と生成するH₂Oの物質量比は 4 : 2 = 2 : 1 です。
   得られるH₂​Oの物質量 = 200 mol (H₂)×(2/4)=100 mol

得られる水の質量を計算する
H₂Oのモル質量は 18 g/mol です。
得られるH₂Oの質量 = 100 mol×18 g/mol=1800 g
1800 g は 1.8 kg なので、これが答えです。