章末問題解答集「化学」入門編

「化学」入門編
第
１
章末問題解答集
１章物質は粒子でできている
自然の物質をまねてつくられた人工の物質の例をあげよ．
解答
身の回りの物質で，自然の物質をまねてつくった人工の物質の例は多い．いくつかの性
質・機能が似ているものの例をあげる．
・ナイロン
合成繊維で，しなやかな肌ざわりとすぐれた強度をもつナイロンは，絹のタ
ンパク質（フィブロイン）をまねてつくった合成繊維である．絹と同じ化学結合
（アミド結合）で分子をつなぎ，高分子を合成する．
・アスピリン
医薬品では，解熱鎮痛効果のあるアスピリン（アセチルサリチル酸）があ
る．この薬は，ヤナギ科の植物に含まれる成分（サリシン）をまねてつくられた．
・セラミックスの歯
ヒドロキシリン酸カルシウム（ヒドロキシアパタイト）である歯
をまねて，セラミックスの歯科材料ができている．
２
本文p.3のコップのように，身近にあるもので，同じ種類の物体だが異なる物質で
できているものを選び，物体と物質の種類を答えよ．
解答
いくつか例をあげる．
・物を切るナイフには，ステンレス（鉄を主成分とする合金）などの金属でできているも
のの他に，セラミックスでできているもの，竹などの木でできているもの，プラスチッ
クでできているものがある．
・眼鏡のレンズは，ガラスでできているものとプラスチックでできているものがある．
・調理に用いる鍋は，金属製のものでは，ステンレスでできているもの，アルミニウムで
できているもの，銅でできているものの他に，最近はチタンでできているものもある．
金属以外では，陶器のもの，耐熱ガラスのものがある．なお，プラスチックは熱に弱い
ものが多いので，鍋には不向きである．
３
単体と化合物では物質の種類にどのくらいの違いがあるか答えよ．
解答
単体は元素の数（約110種）に，それぞれの元素の同素体の数を考慮しただけの種類が
ある．同素体は同じ元素からできていて性質の異なる単体のことである（例：ダイヤモン
ドと黒鉛，酸素とオゾン，赤リンと黄リン，斜方硫黄と単斜硫黄とゴム状硫黄など）．た
だし，すべての元素に同素体があるわけではない．したがって，単体の数は数百種類であ
る（p.68）．
化合物は二種類以上の元素からなる物質であり，その数は単体とは比べものにならない
ほど多い．現在知られている化合物の数は，少なくとも2000万種以上といわれており，
日々増えている(p.2，p.68)．
４
建築や船舶などに鉄が用いられている理由を二つ以上述べよ．
解答
次のような理由が考えられる．
(1)鉄は金属として取りだしやすく，材料として比較的安価である．
(2)炭素を少量含む化合物である鋼は，整形加工しやすく，強度がある．
解説
(1)現在の文明では原料の鉄鉱石から鉄を得る製鉄の技術は確立しており，鉄は金属とし
て取りだしやすい元素のひとつである．製鉄技術が産業の発展に大きく寄与してきた．現
在では，鉄は文明の発展に欠かせない物質である．
(2)金属（単体）の鉄は，延性・展性があり，炭素を含む鋼やその合金は剛性や強度に非
常にすぐれるため，鉄板や鉄芯などが建築材料に用いられる．鉄板は強度があり，かつ目
的の形に成形しやすいので，乗り物のボディーなどにも利用されている．鉄は錆びるとも
ろくなるため，表面を塗装したり，ステンレス鋼などの合金として，錆を防ぐ処理をほど
こして用いられる．
５
タンパク質と食塩の混合物がある．このなかから食塩を取り除く方法を答えよ．
解答
透析タンパク質は高分子化合物で，水に溶かすとコロイド溶液になる．タンパク質と食
塩の混合物から食塩を取り除くには，混合物に水を加えて溶かし，セロハンまたはセルロ
ースチューブに入れて流水中に置くと，ナトリウムイオンと塩化物イオンがセロハン（セ
ルロース）の小さな穴を通って流水中にでていく．この操作を透析という．
なお，タンパク質は水に溶けない場合があるが，塩と混在していると溶けることが多
い．
６
夜に噴水の近くにレーザー光をあてると光が通った道すじが輝いて見えた．この理
由を説明せよ．
解答
噴水の近くでは水が霧状の微粒子となって存在している．この水の微粒子はコロイド粒
子と同様にレーザー光があたるとその光を反射するので，散乱された光によってレーザー
光の通り道が明るく輝いて見える．
「化学」入門編
2
第章
１
章末問題解答集
身の回りの物質を考える
これまでで，何の物質かわからないで困ったとか，あるいは物質の性質がわからな
くて困ったとことはないか．自分の経験をもとにして述べよ．
（例：ゴミを捨てるとき，缶が汚れていて鉄かアルミニウムか見ただけではわからなかっ
た．）
解答
◆物質がわからなくて困る例
・薬の外箱がなくなって，かぜ薬も胃薬も同じように白く，区別がつかない．
・衣服のタグがとれてしまい，使用されている繊維の種類がわからなくて，洗濯をすると
きに普通の洗剤でよいか迷った．
◆物質の性質がわからなくて困る例
・衣類にアイロンをかけるとき，何℃くらいが適当かがわからない．
・コンビニで買った弁当を電子レンジで温めるとき，容器ごと入れてよいか迷った．
・洋服のシミをとるとき，シミの物質が水性か油性かわからない．
解説
身の回りにはさまざまな物質があり，私たちはそれらの物質を活用して生きていること
を再認識したい．また，物質に興味をもち，その本質を知ることが，その物質の適切な取
り扱い，より快適な生活，われわれの環境の保全につながることを理解したい．
２
本書で取りあげた気体以外に，どのような気体を知っているか．知っている気体の
名前，化学式，性質，どのようなところにあるか，またはどのようなところで使われてい
るかなどを述べよ．
解答
気体の名前
化学式
色・におい
密度＊
kg/m
水素
H2
無色・無臭
3
水への溶け方
ほかの性質
(水溶液)
(存在・利用など)
0.0899 溶けにくい
可燃性・爆発性，軽
い(ロケット燃料)
アンモニア
NH3
無色・刺激臭
0.771
よく溶ける
可燃性
(アルカリ性) (肥料の原料)
ヘリウム
He
無色・無臭
0.179
溶けにくい
不活性**，軽い
（気球・飛行船用)
硫化水素
H2S
無色・刺激臭
1.539
少し溶ける
有毒
(酸性)
塩化水素
塩素
HCl
Cl2
無色・刺激臭
無色・刺激臭
*密度は0℃，1気圧での値
３
1.639
3.220
(火山ガスの成分)
よく溶ける
有毒
(酸性)
(水溶液は塩酸)
よく溶ける
有毒，殺菌・漂白作
(酸性)
用(漂白剤)
**反応しにくい
菓子や食品などの「原材料名」表示を見てみよう．含まれる糖分物質として，どの
ような物質があるかを調べよ．
解答
糖分物質としては，つぎのような単糖類や二糖類が用いられている．
◆単糖類
・ブドウ糖（グルコース）C6H12O6
果実，はちみつに含まれる
・果糖（フルクトース）
C6H12O6
果実，はちみつに含まれる
・ショ糖（スクロース）
C12H22O11
サトウキビ，テンサイに含まれる
・麦芽糖（マルトース）
C12H22O11
麦芽，水あめに含まれる
・乳糖（ラクトース）
C12H22O11
乳汁に含まれる
◆二糖類
解説
この他にも甘味料として，以下のような物質が用いられている．
◆天然由来の甘味料
・ステビア：キク科の植物に含まれる甘味成分（砂糖の200～300倍の甘さで低カロリー）
を用いた甘味料．コーヒーに入れたりする．
◆人工甘味料
・アスパルテーム：砂糖の約200倍の甘さ，ノンカロリー飲料や食品に含まれる．
・キシリトール：スクロースと同程度の甘みでカロリーは4割低い．口腔内の細菌による
酸がほとんど生じないため，ガムなどの甘味料として用いられる．
・ソルビトール：水に溶けるとき吸熱反応を起こし，口のなかでひんやりとした感触がす
ることから，あめ・ガム・スナック菓子などに清涼剤として用いられる．
・パラチノース：物質名はイソマルツロースで，その商品名．低カロリーの代替甘味料と
して用いられる．
４
炭水化物をとりすぎると，体内に脂肪がつくか，筋肉（タンパク質）がつくか．炭
水化物，脂肪，タンパク質，それぞれの物質を構成する元素から考えてみよ．
解答
炭水化物をとりすぎると，脂肪が体につく．炭水化物と脂肪は，それぞれ炭素（ C），
水素（H），酸素（O）の三種類の元素から構成されている．一方，タンパク質は，この
三種類に窒素（N）を加えた四種類の元素から構成されているから，炭水化物からだけで
は合成されない．
解説
そもそも，食物をとって体に脂肪や筋肉（タンパク質）がつくというのは，どういう
ことだろうか．
食物を消化するということは，炭水化物などを消化酵素の助けを借りて分解することで
ある．分解された物質（養分）は，血液に溶けて体のすみずみまで運ばれる．これらの養
分は，酸素と結びついてエネルギーを発生したり（体温を保ったり，活動するエネルギー
となる），体を構成する物質として蓄積されたりする．体に蓄積されるときは，分解され
た物質が再び組み直され，合成し直される．つまり，消化・吸収とは，食物として体内に
取り入れた物質の分解と再合成ということになる．
消化によって分解された物質が再合成されるときに新たな元素が生じることはないの
で，炭水化物をとりすぎたとき体につくのは脂肪であり，タンパク質ではない，というこ
とになる．
５
化学繊維はその性質（機能）を生かして，さまざまなところで活用されている．化
学繊維を一つ取りあげ，その分子の構造，性質（機能），何に活用されているかについて
説明せよ．
解答
化学繊維には，木材パルプや綿などの繊維素材を原料としてつくりかえたもの（再生
繊維）と，人工的に合成してつくられたもの（合成繊維）がある（p.24）．
以下に解答例として，代表的な化学繊維（レーヨン・ナイロン・ポリエステル）と，ス
ーパー繊維と呼ばれるアラミド繊維について説明する．
◆レーヨン
昔は人絹とかスフ（短繊維という意味の「ステープル・ファイバー」の略）と呼ばれ
ていた，絹のような光沢のある繊維．パルプの主成分であるセルロースを原料とした再
生繊維であり，分子の構造はセルロースと同じである．やはりセルロースでできている
木綿に近い性質があり，吸湿性・放湿性に富んでいるが，湿ったときの強度は低くなる．
光沢があり，染色しやすく，熱にも強く，静電気を起こしにくい．ただし，しわが入り
縮みやすいので，防しわ，防縮加工をして，広く衣類に利用されている．
◆ナイロン
ナイロン6は [-NH-(CH2)5-CO-]nという分子構造もつ高分子化合物である．分子内
のアミド結合（- NH- CO-）は，タンパク質を構成するペプチド結合（-NH-CO-）と
同じものである．タンパク質からできている天然の絹繊維と構造的に似ているため，絹
と似た性質をもつ．
弾性回復が速くて大きいため，しわがよりにくい．乾いたときの強度は大きいが，湿
ったときの強度はやや落ちる．摩擦に強い．吸湿性に乏しいため，洗濯が簡単で短時間
で乾きやすいが，逆に汗を吸いにくいため下着には向かない．油がつくと落ちにくい．
靴下や手袋，洋服など，広い範囲の衣類材料として利用されるほか，釣り糸，歯ブラシ，
自動車タイヤのゴムの芯などにも利用されている．
◆ポリエステル
ポリエステルは，分子内にエステル結合（-COO-）をもつ高分子化合物で，次のよ
うな分子構造である．
O
O
O
O
n
乾いたときの強度はナイロンと同程度だが，湿ってもその強度が変わらないところが
ナイロンよりすぐれている．化学薬品に対して安定で，多くの有機溶剤にも溶けない．
弾力性と熱可塑性が大きいため，布地は型がくずれず，洗濯してもしわにならず折り目
も消えない．ただし，吸水性がほとんどなく，汗を吸収しないため，衣料品では木綿と
混紡されることが多い．染色性にもすぐれている．これらのすぐれた特徴をもつため，
天然繊維を含めて，
現在生産されている衣料用繊維の約半分がポリエステル繊維である．
ポリエステル繊維の原料であるポリエチレンテレフタレートは丈夫で，炭酸ガスなど
を通しにくく，紫外線を吸収する性質があるため，ペットボトルとして清涼飲料水やし
ょう油の容器としても大量に利用されている．
◆アラミド繊維
アラミド繊維は，ベンゼン環を分子骨格としたポリアミド繊維で，ナイロンと同じよ
うにアミド結合（-NH-CO-）をもっている．分子が直線上のパラ型とジグザグ状のメ
タ型がある．それらの代表的な分子構造は，以下の通りである．（帝人アラミドウェブ
サイトより
http://www.teijin-aramid.com/aramid_fiber.htm）
パラ型：テクノーラ®
メタ型：コーネックス®
密度が鉄の1/5と軽いのに，強度は同じ質量の鋼鉄線の7倍以上で，300℃以上の高温
にも耐えられるすぐれた繊維．ラジアルタイヤのタイヤコードの鋼鉄線の代わりに用い
られるほか，防弾チョッキ，安全作業衣，スポーツ用品，消防服，自動車，航空機，宇
宙船の材料などに利用される．
◆参考サイト
６
http://www.aiweb.or.jp/tsu-wool/keori/fabric.html
さまざまな生活用品の「原材料名」表示を見て，どのようなプラスチックがどのよ
うなところで使われているかを調べ，身の回りのプラスチックリストを作成せよ．
解答
たとえば，液体洗剤の容器を見ると，「ボトルPE
キャップ PP」というように書いて
ある．これは，「ボトルはポリエチレン(PE)から，キャップはポリプロピレン(PP)から
できている」ことを表している．
ちなみに日本では，日本プラスチック工業連盟が，プラスチックの容器の材質表示とリ
サイクルを促進するため，米国のSPIコードに準じて，下記の1～7のように分類した表示
を行っている．なお，2と4とはともに「PE」とだけ表示されることもある．
略号
1
PET
プラスチック名
使われている生活用品例
ポリエチレンテレフタラート清涼飲料容器(ペットボトル)，
化粧品ボトル
2
HDPE 高密度ポリエチレン
バケツ，まな板，フィルムケース，
シャンプーなどの容器
3
PVC
ポリ塩化ビニル
消しゴム，ビニル傘，水道管などのパイプ
4
LDPE
低密度ポリエチレン
ラップ，フィルムケースのふた，
マヨネーズなどの容器
5
PP
ポリプロピレン
ビデオテープのケース，
マーガリンの容器，洗面器
6
PS
ポリスチレン
食品トレー，コップ，CDケース，
乳酸菌飲料容器
7
その他尿素樹脂，メラミン樹脂ほかボタン，食器
7
「プラスチック」はどういう意味のことばからつけられたかを調べよ．また，プラ
スチックをつくるときの原料物質についても調べよ．
解答
◆「プラスチック」の語源
「プラスチック」は，合成樹脂のことである．人工的に合成された高分子化合物のな
かで，型やフィルムに成形されたものをいう．
「プラスチック」は英語ではplasticであり，もともとはギリシャ語で「塑造（そぞ
う）の」という意味のことば「plastikos」を語源とする．「plastic」を辞書で引くと，
「可塑性の」という形容詞があるが，プラスチックは「成形できるもの」すなわち可塑
性の素材によって成形されたものを指す．
「プラスチック」には可塑性があるが，温めると軟らかくなり冷やすと元のように硬
くなる熱可塑性樹脂と，一度加熱して硬くなると再び加熱しても軟らかくならない熱硬
化性樹脂とがある．
◆プラスチックをつくる原料物質
たとえば，ポリエチレンはエチレンを原料としてつくられる．エチレンC2H4は植物
の生長ホルモンでもある気体である（バナナなどを青いまま輸入して，倉庫に保存し，
出荷する前にエチレンをみたして熟させ黄色くする）．
工業的には，炭化水素を水蒸気と混合して800～900℃程度の高温で熱分解し，生成
物を蒸留分離して生産される．この生産設備はエチレンプラントと呼ばれ，石油化学工
場の中核設備である．原料の炭化水素は日本ではナフサが主流である．
ほかのプラスチックについても，そのおもな原料物質は，以前は石炭から得られる物
質が主流であったが，現在は石油から得られる物質がほとんどである．
「化学」入門編
3
第章
１
章末問題解答集
物質を特徴づけるものは何か
これまでに，理科の実験などで実際に物質の性質を調べた経験はあるだろう．物質
のどのような性質をどのような方法で調べたか，整理して述べよ．
解答
次のような方法が，例としてあげられる．
性質
２
調べる方法
色・におい
五感を使って調べる
密度
質量と体積とを測定して求める
溶解性
水や有機溶媒に混ぜ，溶け方を調べる
酸性・塩基性
リトマス紙や指示薬で調べる
融点・沸点
加熱して融解する温度，沸騰する温度を調べる
可燃性
点火して燃えるかどうかを調べる
助燃性
気体に点火した線香を入れ，燃焼が進むかどうかを調べる
その他の化学的性質
さまざまな化学反応を利用して調べる
水に浮いてしまうもの（たとえば木片）などの密度はどのようにしてはかったらよ
いか．簡単にその方法を説明せよ．
解答
密度は，その物質の質量と体積を測定して，次の式から求める．
（密度）＝（質量）/（体積）
したがって，木片の密度は，木片の質量と体積とを測定すれば求めることができる．木
片の質量は天秤（てんびん）などの秤（はかり）を用いて測定すればよい．一方，体積は，
たとえば次のようにして求める．
【方法１】木片に石のような重りをつけて水に沈め，増した水の体積から，木片と重りと
を合わせた体積を求める．次に，重りだけを水に沈めて体積を測定する．木片と重りを合
わせた体積から重りだけの体積を差し引けば，木片だけの体積が求められる．
【方法２】細い針金（針金の体積は誤差の範囲となる程度の細さ）で木片を完全に水に押
し込めて沈め，増した水の体積から木片の体積を求めることもできる．
３
気球や飛行船に詰めるガスは，おもにヘリウムである．ヘリウムより軽い水素は，
ある理由から気球などには使われない．なぜだろうか，その理由を考えよ．
解答
水素は可燃性の気体で，酸素と反応して燃える．水素に酸素が混じったとき，その量の
比率によっては大爆発を起こすことがあるためである．
解説
同じ物質量の気体は，同じ温度と同じ圧力にすれば，ほぼ同じ体積を占めることがわか
っている．これは気体の種類に関係ない．したがって，水素H2は分子量が約2，ヘリウムHe
は原子量が約4だから，水素はヘリウムの約2分の1の重さしかない．そのため，気球や飛
行船には水素を詰めたほうがより浮くのだが，上記の理由で最近はあまり用いられない（第
2章の章末問題2の解答も参照）
．
４
次のような融点と沸点をもつ物質は，常温（25℃）で固体，液体，気体のどの状態
になっているか考えよ．
融点（℃）
沸点（℃）
物質X
－38.9
356.9
物質Y
－77.7
－33.4
物質Z
327.5
1620
解答
物質X：液体
物質Y：気体
物質Z：固体
解説
物質X：液体
物質Y：気体
物質Z：固体
下の図に，それぞれ物質X・Y・Zの融点と沸点を記入し，常温（25℃）がそれぞれど
の位置にくるかを考えれば，物質X・Y・Zの状態がわかる．
物質X→
－38.9
物質Y→
－77.7
－33.4
327.5
1620
物質Z→
(25)
(25)
融点
固体
→液体
356.9
(25)
→気体
→固体
沸点
液体
気体
ちなみに，物質Xは水銀，Yはアンモニア，Zは鉛である．
５
北極の氷や流氷には，海水と同じ濃度の塩分が含まれているだろうか．また，海水
を蒸留すると，塩分を含まない水が得られるだろうか．
解答
北極の氷や流氷には，海水より低い濃度の塩分が含まれているか，もしくはほとんど塩
分は含まれていない．
一方，海水を蒸留すると，ほぼ塩分を含まない水が得られる．ただし，一回の蒸留では
完全ではない．何回か蒸留を繰り返すことにより，塩分をほとんど含まない水を得ること
ができる．
解説
地球上の氷は，場所やでき方によって，その塩分濃度が異なる．
降り積もった雪が固まった氷には塩分が含まれていない．これは，冬に降る雪から明ら
かであろう．雨や雪は蒸発した水分が凝縮したものだから，塩分を含まない．南極には大
陸があり，そこに降った雪が凍った氷は塩分がないため，南極では塩分を含まない氷が多
い．北極でも，グリーンランドなどの陸地には，塩分を含まない氷がある．氷山も，陸地
の氷河が欠けて海に落ちたものなので，塩分は含まれていない．
北極などで海水が凍ってできる氷や，川から流れ込んだ氷をもとにして極地方の海でで
きる流氷はどうだろうか．海水には塩分が含まれているので，およそ－1.8℃にならない
と凍らない（凝固点降下）．気温が－1.8℃以下で波が静かなとき，海面に小さい氷の結晶
ができる．やがてこの氷晶どうしがぶつかりあって円盤状になり，固くて厚い氷板へと成
長する．海水が凍るときは，海水のなかの真水の部分だけが凍り，残った塩分を含む海水
は濃縮され，海氷のなかに取り残される．時間が経つにつれて氷の部分の結晶が大きくな
り，濃縮された塩分を含む海水の体積は小さくなって海氷から取り除かれる．結局，流氷
に含まれる塩分は0.5%前後まで低くなり，海水の1/6以下となる．
一方，海水を蒸留すると，100℃付近で水が沸騰し塩分は原液に残される．しかし，蒸
留方法によっては，沸騰の勢いで塩分を含んだ水が飛沫として飛び散り，その一部が蒸留
した液に含まれることがあるため，塩分を完全に除去できない．蒸留を何回か繰り返せば，
塩分をほとんど含まない水を得ることができる．
「化学」入門編
4
第章
１
章末問題解答集
物質の状態は何によって決まるか
気体の密度を調べるとき，どのような実験をすればよいか．二酸化炭素CO2，酸素O2，
ヘリウムHe，アンモニアNH3などの密度を調べる実験の方法を考えてみよ．
解答
いくつかの方法があるが，ここでは，その気体の質量と体積を測定して，次の式から求
める．
（密度）＝（質量）/（体積）
ただし，測定のときの温度を一定にし，空の容器との質量差などをはかって空気の浮力
の補正もする（空気中にある物体は，その体積に比例した浮力を受ける．水のなかと同じ
である）．たとえば
【方法1】一定体積の丈夫な容器内を真空にして，そこに目的の気体を導入し，質量をは
かる．
【方法2】気体の入ったボンベの質量を測定し，次にレギュレーターと気体誘導管をつけ
て一定量の気体を取りだす． O2やHeの場合は水上置換でメスシリンダーなどの測容器
に集めて体積を測定する．CO2も水上置換で捕集してよいが，水にわずかに溶けるので
注射器に集めて体積を測定してもよい．再びそれぞれの気体のボンベの質量を測定し，
はじめの質量との差を求め，この値を気体の体積で割って密度を求める．
解説
二酸化炭素 CO2と酸素 O2は実験用の小さなボンベが簡単に手に入る．またヘリウム
Heはパーティーグッズ用のミニボンベがあるので，これが利用できる（分子量の小さいHe
を吸うと声が甲高くなることを楽しむグッズである．窒息しないように，体積で20%程度
の酸素が混じっていることがあるので注意すること）．
アンモニア NH3はボンベが簡単に手に入りにくく，水に非常に溶けやすいため，密度
を求めるには特別な工夫が必要である．アンモニアの密度の求め方を示す．まず，アンモ
ニアを発生させる（塩化アンモニウムと水酸化カルシウムの混合物を加熱する）．
2 NH4Cl ＋ Ca(OH)2 → 2 NH3 ＋ CaCl2 + 2 H2O
これを，密閉できるプラスチック製のパック型容器（マイティーパックという製品が利
用できる）に捕集する．プラスチック製の注射器（60 mL）と注射器の先につける三方コ
ックを用いて，50 mLにピストンを引いて固定できるような測定装置をつくり，捕集した
アンモニアを50 mL 吸い取って質量を測定する．また，注射器に気体を入れずに50 mL
にピストンを引いて固定して質量を測定する．この質量の差を体積で割って密度を求める
（空気の浮力の補正のため）．もちろんこの方法は，アンモニア以外の気体にも利用でき
る．この装置は盛口襄氏が考案されたものであり，詳細については次の文献を参照してい
ただきたい．
左巻健男編著，盛口襄ほか著，「たのしくわかる化学実験事典」
，
東京書籍（1996），p.118～119．
２
自動車のブレーキにはブレーキオイルという油が用いられている．液体のオイルが
使われている理由を説明せよ．また，このブレーキオイルに気泡が生じるとどのような点
で問題があるか説明せよ．
解答
ブレーキは，管に入れた液体の一方の端にブレーキペダルで力を加えて，反対側の端に
あるブレーキシューに力を伝える．
「パスカルの原理」を応用している．液体は圧縮率（圧
力を加えたときの体積の減少率）が小さいので，加えた圧力がすぐ伝わる．気体は圧縮率
が大きいので，気泡があると加えた力がその気泡の圧縮に使われ，圧力が十分に伝わらな
かったり，圧力の伝達に時間がかかることがある．これが問題点である．現在のブレーキ
オイルは改良され，気泡が生じないようになっている．
解説
液体の圧縮率が小さいのは，粒子が密に存在しており，粒子どうしの間にすきまがない
ため，液体に加えた力で動いた粒子はすぐとなりの粒子にぶつかり，圧力はロスすること
なく伝わるためである．しかし，気体は粒子が密に存在しておらず粒子間に大きなすきま
があるため，ブレーキオイルに気泡が生じていると，圧力を加えても気体の圧縮によって
大きくロスしてしまうため，ブレーキの機能がはたせなくなる．
３
液体の二酸化炭素をみるための実験方法を説明せよ．
解答
常温で圧力をかければよい（第8章を参照）．二酸化炭素は常温・常圧では気体しか存
在しないが，常温でも高圧下では液体になる．
解説
状態変化させるのに，温度を変化させる以外の方法もある．一例が，圧力を変化させる
ことである．たとえば，圧力に強いガラス製のシリンジに，ドライアイスを入れて加圧す
ると，液体の二酸化炭素をみることができる．また，塩化ビニル製の透明なチューブを二
重にして強度を増し，このなかにドライアイスを入れて，チューブの両端をピンチコック
などで固定すると，ドライアイスが昇華して自動的にチューブ内の圧力が大きくなり，液
体の二酸化炭素をみることができる．このとき，片方のピンチコックをはずすと圧力が急
激に下がり，チューブのなかの二酸化炭素は固体（ドライアイス）になる．
４
富士山頂では，水は87℃で沸騰する．富士山頂で，87℃より高温で水を沸騰させる
にはどうしたらよいか．
解答
圧力鍋（p.97）や飯ごうなど，水蒸気が容器外に逃げないものを使うと，温度をかけた
だけで圧力があがる．これらを用いると，外圧が低くてもその外圧での沸点よりも高温で
水を沸騰させることができる（p.38）．
５
多くの物質は固体よりも液体のほうが密度が小さいが，水は液体のほうが固体（氷）
よりも密度が大きい．その理由を説明せよ．
解答
固体（氷）中の水分子は水素結合という力によって分子どうしが結びつき，規則正しく
すきまの多い空洞部分をつくっている（p.34
図3-4を参照）．液体になると，この規則正
しい結びつきが寸断されて維持されず粒子間のすきまは固体（氷）よりも小さくなるため，
液体の水のほうが密度が大きくなる．
水以外の物質では，固体の粒子間の距離よりも，粒子の運動が激しい液体の粒子間の距
離のほうが大きいので，固体よりも液体のほうが密度が小さい．
６
身近な生活で液晶がどのようなところで利用されているかを示せ．
解答
パソコン，携帯電話，テレビなどの表示装置（ディスプレイ）に利用されているほか，
液晶温度計などにも利用されている．
解説
電子機器の表示装置では，液晶に電圧をかけると棒状の分子が一定方向に並び，後ろか
ら通っている光（バックライト照明）を遮ることを利用している．
７
水はほかの物質に比べて比熱が大きい．このことは太陽の熱エネルギーを受けたと
きの陸地と海洋の性質の違いにどのように関係しているか説明せよ．
解答
陸地は岩石や土壌でできていて水よりも比熱が小さいので，暖まりやすく，冷めやすい．
すなわち，陸地の温度は変わりやすい．これに対して，水は比熱が大きいので，暖まりに
くく，冷めにくい．すなわち，海洋は温度が変化しにくい．
解説
太陽の熱エネルギーがあたりはじめる朝方から午前中は陸地のほうが先に暖まるので，
陸上の空気は暖まり膨張し，体積が増えて密度が減るので上昇する．よって，上空では風
は暖かい陸地から冷たい海洋に向かって吹き，陸上近くでは逆に海から陸に向かって吹く．
夕方から夜にかけては陸地の温度のほうが先に下がっていくので，陸上の空気は冷えて
収縮して，体積が減り密度が増えるので下降する．このため，上空では暖かい海側から空
気が供給されるので，風は冷たい陸地に向かって吹き，陸上近くでは陸から海に向かって
吹く．
章末問題解答集
「化学」入門編
5
第章
１
すべての物質は原子からできている
古代中国ではギリシャと同様に「五行説」として，五つの元素から元素から物質が
成り立つという世界観を説いた人びともいた．現在は曜日の表記に使われているこれら五
つの元素とは何か．
解答
火，水，木，金，土
解説
日と月は，それぞれ太陽と月だから，残りの五つが解答となる．
「陰陽説」という考え方があり，古代中国最初の王である伏義(ふくぎ)がつくったもの
とされている．その内容は，世のなかは「明・暗」「表・裏」「善・悪」「男・女」のよう
に陰と陽の組合せから成り立っているという考え方である．「五行説」はこの陰陽説から
派生したもので，夏王朝の王が唱えた，国を統治する五つの根本原理がはじまりといわれ
ている．後に陰陽説と合体して「陰陽五行説」ともいわれるようになり，中国の春秋戦国
時代のころに一つのかたちができた．基本的には二つの対立概念「陰陽」と五つの根本要
素「火，水，木，金，土」の組合せで，森羅万象を説明しようとする考え方である．
古代ギリシャのような，物質としての元素という考え方（p.55参照）よりも，自然や社
会の現象を説明するという概念に近いが，そのなかにも元素の循環のようなかたちで元素
を意識したような考え方もある．
火
→
火が燃えると
灰（土）が
生じる
土
→
土は山をつく
り鉱物（金）
が生じる
金
→
金は錆びたり
融けたりして
水になる
水
→
水を栄養に
木が育つ
木
→
火
木は燃えて
火を生じる
これは日本にも伝わり，現在でも惑星の名称や暦のなかなど生活のいろいろな場面で用
語として使われている．たとえば，四季には春は木，夏は火，秋は金，冬は水があててあ
り，その季節の最後の月には土をあてている．「土用波」「土用の丑の日」などに使われる
「土用」は夏の最終月という意味である．
２
ドルトンの原子説は，細部では現代の科学と矛盾する部分もある．それはどのよう
な点か．
解答
現代科学の知見によると，ドルトンの原子説（p.56）は厳密な意味での正しさには欠け
る部分がある．p.56の四つの項目と対比して解説する．現在の知見にあうようにするには．
下線部のように変更すればよい．
①「原子は種類によって決まった質量をもつが，1種類ではない」
元素の同位体の発見により，質量の異なる同種類の元素が存在することがわかった．同
位体は20世紀初頭になってから，ソディー，トムソンらが発見した．
②「原子は変わる」
20世紀初めのキュリー夫妻による放射能の発見は，原子が別の原子に変わる場合があ
ることを示し，錬金術師の夢が現実のものとなった（p.56）．原子はきわめて過酷な条件
（高エネルギーを与える，高速でたがいに衝突させるなど）のもとでは，他の元素に変わ
ることがある．そのようにしてつくられた最初の人工元素は，1937年のテクネチウムTc
である．
③「原子はさらに分割される」
本文（p.60）でも解説したとおり，原子はさらに小さい粒子である陽子，中性子，電子
などからなる．このような原子の構造も20世紀に入ってからわかった．トムソンがまず
電子を発見．ついでラザフォードによる原子核の発見を皮切りに，陽子と中性子が発見さ
れた．
④「原子はなくなったり，新しく生まれたりする」
②と同様で現在は人工元素もつくられ，元素間の変換も可能になっている．
ただし，日常に起きる現象では，ドルトンの原子説の概念を超えるようなことはほとん
どないので，生活するうえではいまでも有効な概念といえよう．
３
第二次大戦のころまでは，戦車の装甲を打ち抜く弾丸として，タングステン（W
原子番号74）が砲弾の中心に使われていた．最近の戦争ではタングステンの代わりに金属
ウランが使われている（劣化ウラン弾という）．この理由を説明せよ．
解答
銃や大砲の弾丸の材料は，鉛( Pb)→鉄(Fe)→タングステン(W)→ウラン(U)と変化し
てきた．これらの単体の密度を比べてみると以下のようになる．
密度
g / cm3
Pb
11.35
Fe
7.87
Ｗ
U
19.3
約19
ウラン弾の弾丸としての利点は以下のような点にあるといわれている．
①物質の密度が大きい．弾が重いほど運動エネルギーも大きくなるので，対象となる物体
を破壊する力が大きくなる．
②安価である．タングステンやその合金は非常に高価である．原子炉燃料用ウラン（235U）
濃縮の残渣である劣化ウラン（238U）は比較的安い．
③融点が1132℃とほかの金属より低い．このため，相手の物体に命中した際に，摩擦熱
で表面だけが融けて液体となり，中心部の固体はどんどん細くなりながら，相手の物体に
潜り込んでいくので，装甲板を貫通しやすい．また，着弾時の摩擦熱で融解して液体とし
て飛散し，空気中の酸素と反応して燃焼することにより，焼夷弾のように相手の物体に火
をつける効果がある．
ただし問題点は，ウランは劣化ウランであっても毒性をもつ物質であり，戦場での粉末
の飛散が人体に有毒であることと，放射性物質であるために環境への負荷が高いことであ
る．現在でも兵器としての使用に反対する声が高い．
解説
銃弾として，最初は鉛 Pb（原子番号82
原子量207）が普及した．低融点のため加工
が容易で，かつ重い（密度が大きい）ので数百年に渡って使用されたが，硬さという点で
鉄 Fe（原子番号26
原子量55.9）やその他の合金に代わっていった．
第一次世界大戦以降，戦車などの装甲板をもつ兵器の出現により，装甲を貫通するため
の徹甲弾が開発された．第二次世界大戦では，対戦車砲の砲弾にタングステン W（原子
番号74
原子量183.8）の合金や化合物を弾芯として利用する砲弾が使用された．
そして20世紀末の国際紛争では，弾頭に原子力利用の廃物を活用した劣化ウラン弾が
新たに戦闘に使われはじめた．
４
図5-2の周期表から得られる情報にはどんなものがあるか．
解答
周期表には非常に多くの情報が含まれている．図5-2のように簡略化されたものでも，
色を分けることにより金属・非金属の区別，元素の属するグループ名（族や周期など，p.59）
などがわかる．また，たんに白黒で書かれた表でも，その元素がもっている陽子の数を知
ったり，ある元素に似た性質をもつ元素を探すことができたり，典型元素の場合はどんな
イオンになりやすいかを推測したり，などさまざまな情報が得られる．
５
元素の種類がいまより少なかった（たとえば，数十種類）場合，またいまより多か
った場合（たとえば，数千種類）には，この世界はどのようなものになっただろうか？
考えてみよう．
解答
これはあくまでも推測であるが，もし数十種類の元素しかなかったら，私たちの世界に
ある2000万種を超える化合物の種類ははるかに少なくなり，物質の種類が極端に減少し，
これほど多彩な世界ではなかったであろう．たとえば，二種類の元素XとYからなる分子X
－Yの種類は，元素が100種類あるときには，100×99 / 2 ＝ 4950種類あることになる（X
－XやY－Yは単体なので除く）が，10種類だと，10×9 / 2 ＝ 45種類にまで減ってしま
う．とくに炭素，窒素，酸素，水素といった，有機化合物を形成する元素がなければ，生
命の存在自体がなかったのではないかと思われる．
また，もし元素の種類がいまの10倍程度の数千種類であったとしたら，もっと多様な
世界が形成されたかもしれない．人類はその多様さに圧倒され，違う世界観をもっていた
だろう．自然科学者が科学的知識を集積し，そこから法則を見つける手間がまったく異な
るので，科学が学問として発達するのにかかる時間も著しく短かったり長かったりしたか
もしれない．
宇宙に存在する数の多い元素：水素が最多，次はヘリウム，次いで炭素，酸素，窒素などが多い．
「化学」入門編
6
第章
章末問題解答集
物質中で原子はどう結びついているか
１ある物質が金属かどうかを調べたい．どのような方法があるか．簡単に述べよ．
解答
次のような一般的な性質の有無について調べることにより判定できる．
①電気や熱を通しやすい
②金属光沢がある．
③常温では固体 (融点が比較的高い)
④光を通さない（透けない）
⑤硬い
⑥展性・延性がある
など
⑦電波を通さない
解説
金属であるかどうかを判定するには，金属の定義を知っている必要がある．金属の正確
な定義は難しいが，もっとも適切な表現は，物理の観点を利用した「フェルミエネルギー
上にバンドギャップがない物質」という難しい表現になる．「比誘電率がきわめて大きい
（∞の）物質」「屈折率が負の（光を反射する）物質」などの見方もある．しかし，これ
らは簡単には調べられないので，解答のような一般的な性質について調べることになる．
実際には観察したり，叩いて伸ばしてみたり，電流や熱の伝導率をはかったり，という
方法があげられるが，すべての金属が①～⑦を満足しているわけではない．常温で液体の
水銀，薄い金属箔にすると光が透けてみえる金，柔らかい金属のナトリウム，低融点のビ
スマス Bi（融点271℃）など例外も多い．したがって，項目のほとんどが該当するので
あれば，金属と判定するのが妥当であろう．非金属にも金属に似た光沢をもつケイ素など
があるので紛らわしい．さらに，硬貨などに使われる合金も金属の一種に含まれるので，
身の回りの物質を調べるときはこの点も留意するとよい．
２厚さ1mmほどの磁器の皿と，うすい台所用アルミホイルを太陽にかざして見た場合，
光を通すのはどちらか．また，その理由を自由電子を使って考えよ.
解答
光が透けて見えるのは磁器のほうである．
解説
薄手の茶器（磁器）で光が透けて見えるのを見たことはあるだろうか？景徳鎮産の「蛍
茶碗」という製品などによくみられる．もちろん，磁器は個々の品物によってばらつきが
あるので，なかには細かい穴が空いていて光を透過するものもあるが，一般にごく薄手に
つくられた磁器は光を透過することがある．これに比べると，アルミホイルはどんな薄い
市販品を光にかざしても光は透過しない．
その理由は自由電子にある．光は金属の表面にたくさんある自由電子によってはね返さ
れるので，アルミホイルは私たちの目にはキラキラ輝いて見える．一方，自由電子をもた
ない磁器のような物体では光は反射せず，透過することができる．サッカーのゴールにた
とえていえば，金属のほうはJリーグのゴールキーパーが何人も動き回っていて，光とい
うボールを必ず捕まえるような状態であり，磁器はたった一人の素人キーパーがゴールを
守っているような状態といえよう．
３
次の原子が安定なイオンになるときには，どんなイオンになるか．周期表を参考に
して，何価の何イオンというかたちで答えよ．
① 3Li（リチウム）
② 38Sr（ストロンチウム）
③ 53I（ヨウ素）
解答
① １価の陽イオン
解説
② 2価の陽イオン
③ 1価の陰イオン
それぞれの電子配置と周期表上でもっとも近くにある希ガスの電子配置を下表に示す．
安定なイオンになるためには，電子をやりとりして希ガス型の電子配置をとる必要があ
る．①の場合は電子殻2の電子を1個失い，②の場合は電子殻5の電子を2個失い，それぞ
れ1価，2価の陽イオンとなる．③の場合は電子殻5に1個の電子を受け取るので1価の陰イ
オンとなる．
元素
電子殻1
電子殻3
電子殻4
He
2
Li
2
1→ 0
Kr
2
8
18
8
Sr
2
8
18
8
2→ 0
I
2
8
18
18
7→ 8
Xe
2
8
18
18
8
2
3
36
38
53
54
電子殻2
電子殻5
４
表6-2や表6-3を参考にして，以下の身近なイオン結合性化合物の組成式をつくって
みよう．なお（）内に書いてあるのはその物質の化合物名なので，これをヒントにして
作ること．
①医療用のギプスなどに使われる石こう（硫酸カルシウム）
②古代エジプトで使われていた，有害な鉛入り化粧品〔酸化鉛(II)〕
③水に溶かすと発熱し，緊急時に食品の加熱などに使用する生石灰（酸化カルシウム）
④旧約聖書にもでてくるソーダという洗剤（炭酸ナトリウム）
解答
①CaSO4
解説
②PbS
③CaO
④Na2CO3
それぞれのイオンの価数は決まっているので，合計してちょうど±0の電気的中性にな
るように化合物をつくる．
①Ca2+とSO42－はイオンの価数が同じなので，1：1の組成となる．
②硫化鉛(II)のローマ数字IIは，鉛が+2のイオンになっているという意味である．よって，
Pb2+とS2－も1：1の組成となる．
③Ca2+とO2－も1：1の組成となる．
④Na+とCO32－は2：1の組成となるので，Na2CO3となる．
①医療用のギプスは，正確には焼き石こう CaSO4･1/2 H2Oといわれる硫酸カルシウム0.5
水和物が使用されている．天然にも鉱物として産出する（バサニ石という）．
②古代エジプトでは，このほかにも白亜(炭酸カルシウムCaCO3)や鉛白〔酢酸鉛
Pb(CH3COO)2〕などが使われていた．硫化鉛(II) PbSは黒色の物質で目の周りのアイ
ラインなどに使われていたらしいが，これは日差しの強さを防ぐためのものでもあった
と考えられる．野球の試合で目の下に黒い墨を塗るのと同様の効果である．
③生石灰CaOは酸化カルシウムの俗称で，ライム(lime)とも呼ばれる．吸湿剤として使
われるが，水に溶かすと以下の反応が起こり激しく発熱するので，緊急時の加熱用にも
使われる．
CaO＋2H2O → Ca(OH)2＋H2↑
ちなみに，電気が発明される以前の劇場用照明は，この石灰を赤熱したものを使用し
ていた．そこから転じて，英語のライムライトという言葉には「脚光を浴びる」
「名声」
という意味もある．
④旧約聖書には次のような一説がある．「心配している人の前で歌を歌うのは，寒い日に
着物を脱ぐようなものであり，ソーダの上に酢を注ぐようなものだ．（旧約聖書箴言25
章 20節）」．この「ソーダ」はアルカリと訳されている場合もあり，洗濯用の薬品とし
て古くから使われていたことがわかる．なお，ナトリウムの英語名 sodiumは，ソーダ
に由来する．
５
過去に採掘された金の総量は，およそ10万トンといわれる．4 gの金は0.207 cm3で
ある（p.71のone point参照）．人類がもっているすべての金を立方体にすると，一辺はお
よそ何 mになるか．
解答
約17.3 m
解説
金の密度は，4 gで体積0.207 cm3という数値から，4 / 0.207 ＝ 19.3ｇ/cm3であること
がわかる．ここから，10万トン（＝1.0×1011 g）の金の体積を求めると
1.0×1011 g / 19.3ｇ/cm3 ＝ 5.2×109 cm3
となる．この体積をm3の単位に換算すると，1 m3 ＝ 106 cm3であるから，5.2×103 m3と
なる．この体積の立方体の1辺の長さは，(5.2×103 m3)の三乗根であるから，約17.3 mと
なる．
これは一般のプールに換算すると公式競技用の50 m×25 m×2 ｍのプールでおよそ2
杯分ということになる．
「化学」入門編
7
第章
章末問題解答集
分子は原子の結合によってできている
１
地球の人口は20世紀後半に60億（6.0×109）人を突破した．この人口は何molに相
当するか．
解答
1.0×10－14 mol
解説
6.0× 109 人
＝ 1.0×10－14 mol
6.0× 1023 個(人)/mol
より求める．
一見しただけでは，どのくらい小さいのかわかりにくい数値であるが，1 molは地球の
人口の100兆(＝1014)倍であると考えると少し実感がわくだろう．1 molという個数がいか
にとてつもない数値であるかがわかる．
【参考】2007年現在，地球の人口は66億人であるとされている．
２
地球の人類全員（60億人）で，1molの粒子を数えてみることにした．各人1秒で1個
数えられるとすると，6.0×1023個を数えるのに，どのくらいの時間がかかるか．
解答
およそ320万年かかる．
解説
１から，1molを数えるのに100兆秒かかることになる．1日は86400秒，1年（365.25日）
は3.15576×107秒とすれば
1.0× 1014 秒
＝ 3.16×106 年
3.15576× 107 秒/年
となる．
火星の平均気温は－55℃，（最高気温27℃，最低気温－133℃）である．なぜこのよ
３
うに寒暖の差が大きいのか．その理由を考えてみよう．
解答
端的に言えば，大気と水がないからである．
解説
地球と火星のデータを比較してみると以下のようになる．
火
星
地
平均公転半径(km)
2.28×10
赤道面での直径(km)
6794
12756
大気圧
0.8前後
101.3
(kPa)
大気の組成
二酸化炭素CO2
球
1.50×108
8
95.3％
窒素N2
78％
窒素N2
2.7％
酸素O2
21％
アルゴンAr
1.6％
水蒸気H2O
酸素O2
0.13％
2％以下
（変化する）
アルゴンAr
1％
二酸化炭素CO2
水の存在
微量
微量
地球全体で
およそ1×1016トン
そのうち97％が海水
地球の温度変化が小さい理由は，表面の2/3を占める海水（水）の比熱が非常に大きい
こと，火星に比較すると水蒸気も含めて大量の気体に包まれていること，その水蒸気がい
わゆる「温室効果ガス」として大気圏の熱が宇宙に逃げるのを防いでいること，などがあ
げられる．水蒸気がなければ地球の平均気温は40℃下がるといわれている．
火星の大気の主成分である二酸化炭素も温室効果ガスとして知られているが，地球では
その割合は1％にも満たず，絶対量が少ない．火星の極地方では，低温状態になると大気
の25％が固体のドライアイスになってしまう．
４
史上最大のダイヤモンドは1905年に南アフリカで発見されたもので，約3100カラッ
トの原石である．この原石がすべて炭素でできていると仮定すれば，何molか．また，何
個の炭素原子からできているか．ただし，1カラットは0.20gとし，炭素の原子量を12とし
て計算せよ．
解答
52 mol，3.1×1025個
解説
このダイヤモンドの質量は
3100 ct × 0.20 g/ct ＝ 620 g
である（ctはカラット）
．炭素の原子量12を用いると
620 g
＝ 51.67 mol
12 g/mol
炭素原子の数にすると
51.7 mol×6.0×1023 個/mol ＝ 3.10×1025 個
５この章で学んだやり方にならって，次の物質の構造式を書いてみよう．
①プロパン C3H8
②エテン（エチレン） C2H4
③シクロプロパン C3H6（ただし，炭素Cは三角形をつくっている）
解答
① H
H
H
H
C
C
C H
H
H
H
H
H
②
H
C
H
C
③
C
H
H
H
C
C
H
H
H
「化学」入門編
8
第章
１
章末問題解答集
身近な現象から気体と溶液の性質を学ぶ
空のペットボトルに高い山で空気を入れて，キャップでしっかりフタをした．山か
らおりてきたときペットボトルはどうなっているか．説明せよ．
解答
ペットボトルは押しつぶされてへこむ。
解説
気圧の低い高地で空気を入れ，そのままフタをして平地に戻っても，なかに入っている
気体の物質量は変わらないし，内側から容器を押す空気の圧力は高地と同じである．低地
では外から押す空気の圧力（外圧）が高地よりも大きくなるので，容器は押しつぶされて
へこむ．
これとは逆に，地上で容器に空気を入れ密封して高地に運ぶと，容器はふくらむ（p.91）．
２
へこんだピンポン球をもとにもどすにはどうしたらよいか，方法を示せ．
解答
ピンポン球を湯につけると，へこみがもとにもどる．
解説
同じ物質量の気体でも，温度を上げると体積が大きくなる．ピンポン球がへこむと，ピ
ンポン球の内部の圧力は，へこんだぶん上昇している．しかし，湯につけると内部の気体
の温度が上がり，内部の圧力がさらに上がるので，ピンポン球を押しもどす．ピンポン球
の材質は硬いので，温度がもとに戻ってもまたへこむことはない．
３
ボイルの法則とシャルルの法則から，ボイル・シャルルの法則を数学的に導きだせ．
解答
一定の質量（物質量）の気体を，圧力P1，体積V1，温度T1の状態から，P2， V2，T2の状
態にする．
まず，温度T1を変えずに圧力だけをP2に変化させると，体積がV’に変わる．ボイルの法
則より
P1V1 ＝ P2V'
①
となる．つぎに圧力P2を変えずに温度だけをT2に変化させると，体積V'がV2に変わる．シ
ャルルの法則より
V'／T1 ＝ V2／T2
となる．V' は式①より
②
V' ＝ P1V1 ／P2
③
であるから，式③を式②に代入して整理すると
P1V1／T1 ＝ P2V2／T2
④
となりボイル・シャルルの法則が導きだせる。
解説
その物質に化学反応が起こらなければ，ある温度でのある圧力のときの物質の体積は，
どのような変化をしてきたかにかかわらず，同じになる．
「物質はその履歴を記憶しない」
というようにいえるだろう．したがって，上記の変化のときに，先に温度T1をT2に変え，
次に圧力だけをP1からP2に変化させても，同じ体積V2となる．
４
潜水（ダイビング）の際の減圧症をヘンリーの法則を使って説明せよ．また，減圧
症を防ぐにはどうしたらよいか．
解答
水深の深いところでは，水圧と同じ程度に圧力をかけた空気を呼吸する．そうしないと
肺がふくらまず，空気を取り入れることができない．しかしそうすると，血液や体液には1
気圧のときより多くの量の空気（窒素，酸素）が溶けこむ．この状態で急激に浮上すると，
水圧が急に低くなるため，ヘンリーの法則によって，血液や体液に溶けていた気体（とく
に溶解度が酸素より小さい窒素）が急に溶けきれなくなって一部が気体となり，気泡を発
生する．この気泡が毛細血管の血流を阻害したり，気泡周囲の血が固まり血栓ができて血
管を閉塞したりして，さまざまな障害が生じる．これが減圧症である．
減圧症を防ぐには，急な圧力の低下が起きないように，ゆっくり時間をかけて十分に呼
吸しながら，少しずつ浮上するようにするとよい。
解説
スキューバダイビングや潜水作業など，潜水時に圧力をかけた空気を呼吸するときにこ
の症状が起こる．潜水すると，水深の深いところでは大きな水圧が身体にかかるため，呼
吸する空気にも同じ程度の圧力をかけなければならない．ゆっくり浮上し，少しずつ圧力
を下げれば，深いところで血液に溶けこんだ気体は，溶解度を超える前に呼気（吐きだす
息）とともに吐きだされるからである．
【参考】
この症状は素潜りでは起きない．素潜りでは呼吸を止めているから，深いところでも，
圧力をかけた空気は吸いこまない．したがって，体内の血液中の気体の量は，水上で1気
圧下にいたときと同じ量しかない．潜水時に肺が圧力を受けてなかの気体が血液に溶け込
んでも，水面に戻れば膨らんだ肺のなかに戻るだけである．
５
硝酸カリウムの結晶に少量の塩化ナトリウムの結晶が混ざっている試料から，硝酸
カリウムだけをとる（精製する）実験方法を答えよ．
解答
試料に水を（できるだけ少なめに）加えて，熱してすべての結晶を溶かす．次にこれを
冷却すると，純粋な硝酸カリウムが溶けきれなくなって結晶となって析出する．このとき，
塩化ナトリウムは飽和溶液になっておらず溶液中に溶けたままである．結晶をろ別して，
結晶のまわりに付着した溶液を少量の純水で洗浄すると，純粋な硝酸カリウムが得られる．
解説
硝酸カリウムの水への溶解度は，温度により大きく違う．温度が高いとかなりたくさん
溶けるが，温度が低くなると溶解度は著しく小さくなる（p.100）．一方，塩化ナトリウ
ムは温度による変化が少ない．
６
水道水で目を洗うとき，目がしみて痛くなるのはなぜか，説明せよ．
解答
水道水は溶質の濃度が低く浸透圧が小さいので，水道水で目を洗うと水が細胞膜を通っ
て細胞内（目のなか）へしみこみやすいために，目がしみて痛くなる（p.101）．
解説
水道水には微量の塩素が溶けており，その影響もある．また，水道水の成分は地域によ
っても違うので，その影響もありうる．点眼薬（目薬）には，浸透圧を考慮した，体液と
ほぼ同じ濃度の溶液が用いられている．
７
水に石けんや洗剤を加えた液をストローにつけてふくとシャボン玉ができる．この
理由を説明せよ．
解答
石けん水や合成洗剤には，水の表面張力を弱める物質（界面活性剤）が含まれている．
表面張力が弱まった水は膜状にいくらでも表面積を大きくすることができ，内部に気体を
含ませると内側にも表面ができる（表面積は2倍以上になっていることになる）．このた
め，縮んだ水滴とならずにシャボン玉となる．
８
アメンボが水表面に浮いていられるのはなぜか，説明せよ．また，アメンボは石け
ん水に浮いていられるか．
解答
アメンボは，水の表面張力のおかげで水に浮くことができる．石けん水には，水の表面
張力を弱める物質（界面活性剤）が含まれているため，アメンボは浮いていられない．
解説
アメンボの6本の脚には，全体に細かい毛がある．この毛のおかげで水をはじくことが
できる．アメンボの足にかかる重さは下向きの力として働く．一方，水の表面張力は表面
積を少なくしようとする力なので，凹んだ水面の底を引き上げるように上向きの力となる．
このように，アメンボの重さと表面張力とが釣りあって，アメンボは水に浮くことができ
る．石けん水には水の表面張力を弱める物質（界面活性剤）が含まれているため，上から
重さがかかるといくらでも表面積を大きくして凹むことができるので，アメンボは石けん
水には浮いていられない．
水鳥も同じ原理で浮いているので，同じようにセッケン水には浮かない．
「化学」入門編
9
第章
１
章末問題解答集
化学反応によって新たな物質が生まれる
次に示す現象は化学反応か，あるいは物理変化か．化学反応の場合はどんな物質が
できるかも答えよ．
①化学カイロの封を切って，もんでいたら温かくなった．
②氷の上でスケート靴をはくと，勢いよくすべることができた．
③しぼんだ風船を暖めたら，もとの大きさにもどった．
解答
①化学反応
酸化鉄，水酸化鉄などができる．
②物理変化
③物理変化
解説
①化学カイロには，鉄粉，水，食塩，活性炭，などが含まれ，おもに以下のような化学反
応によって発熱している．
Fe ＋ 3/4 O2 ＋ 3/2 H2O ＝ Fe(OH)3 ＋ 277 ｋJ
鉄が酸素により酸化されて（第11章参照），水と反応して水酸化鉄(III)が生成して熱を
発生する．黒くみえる活性炭は，表面に酸素を取りこみ，酸化反応に酸素を供給する役割
や，温度を保つ役割をしている．食塩は酸化の速さを調整する役割がある．
②スケートがすべる理由は，エッジの圧力により氷が融けることによる．圧力は
（圧力）＝（力）/（面積）
なので，同じ体重で氷を押しても，足の底全体の面積に体重がかかる通常の靴よりも，エ
ッジだけが氷の上に乗っているスケート靴のほうが，氷にかかる圧力はかなり大きい．こ
のためエッジの下の氷が融けて，すべることができる．氷は固体でも液体（水）でも化学
式は同じなので，これは化学反応ではなく物理変化である．
③
②と同様に，風船内の物質の化学式は変化していないので物理変化である．
加熱により風船がふくらむのは，熱を加えたことにより気体分子の運動が激しくなった
からである（p.92～p.95参照）
．
２
次の文章で示した化学反応を，化学反応式で表せ．
①卵の殻（主成分はCaCO3）に酢（CH3COOH）を加えると，溶けて二酸化炭素と水と酢酸
カルシウム Ca(CH3COO)2ができる．
②アウトドア用品で，すぐに温かいおでんが食べられる缶がある．この缶の底には生石
灰（CaO）と水のパックが入っている．パックに針で穴を開けると，激しい熱ととも
に生石灰は水酸化カルシウム〔Ca(OH)2〕に変化した．
解答
①CaCO3 ＋ 2CH3COOH → Ca(CH3COO)2 ＋ CO2 ＋ H2O
②CaO ＋ H2O → Ca(OH)2
解説
①まず，与えられた物質を化学式で表し，反応する物質を左辺に，生成する物質を右辺に
書く．
CaCO3 ＋ CH3COOH → Ca(CH3COO)2 ＋ CO2 ＋ H2O
↓
↓
物質名を化学式に変える
次に，書かれた式の両辺について，それぞれ原子の種類と数を調べる．
CaCO3 ＋ CH3COOH → Ca(CH3COO)2 ＋ CO2 ＋ H2O
Ca
1個
C
1
1個
＋
2 ＝ 3個
4
4個
6
2 ＝ 5個
4
H
O
3
＋
＋
＋
＝ 5個
1
＋
2
＝ 8個
2+
1
＝ 7個
両辺の原子の個数がつりあっていないので，係数をつけてあわせる．このとき，CH3COO
－
が左辺では CH3COOHに一つ，右辺では Ca(CH3COO) 2に二つあることに着目して，左
辺の酢酸CH3COOHに係数2をつけてみる．
CaCO3 ＋ 2CH3COOH → Ca(CH3COO)2 ＋ CO2 ＋ H2O
Ca
1個
C
1
1個
＋
H
O
＋
3
4 ＝ 5個
4
＋
1 ＝ 5個
8個
6
＋
2 ＝ 8個
4 ＝ 7個
4
＋
2
+
1 ＝ 7個
原子の数と種類が等しくなったので，これで完成した．
②両辺の物質を化学式で書く．
CaO ＋ H2O → Ca(OH)2
両辺の原子の種類と数を調べる．
CaO ＋ H2O → Ca(OH)2
Ca
1個
O
1
H
1個
＋
1 ＝ 2個
2個
2個
2個
種類と数が合っていて，係数はすべて1だから，つけなくてもよい．
３
化石燃料の不足から，近年ガソリンにバイオエタノール（植物由来のエタノール）
を混ぜた燃料が使われている．この燃料の問題点を表9-1の数値を参考に答えよ．
解答
ガソリンとエタノール1 gあたりの発熱量を表9-1（p. 117）より比較すると，ガソリン
は約46 kJ/g，エタノールは29.7 kJ/gであり，エタノールはガソリンに比べて発熱量がお
よそ 65％しかないことがわかる．自動車などの内燃機関に使う場合には，エンジンの出
力がその分低下することになり，ガソリンに比べてパワーがでないことが最大の問題点で
ある．
解説
バイオエタノールとは，正式にはバイオマスエタノールといい，サトウキビ，トウモロ
コシなどの植物資源から，発酵などの操作により取りだしたエタノールのことである．石
油などの化石燃料から合成されたエタノールと区別するためにバイオエタノールと呼んで
いる．植物からつくるため二酸化炭素の増加につながらず，地球温暖化対策の一環として
利用が推進されている．ただし，生産する過程で蒸留などの操作が必要で，そのために別
のエネルギーを熱源に使うので，二酸化炭素を100％抑制できるわけではない．また，食
糧にもなる物質を多量に使用するので，世界の穀物価格へ与える影響も大きい．
４
溶接に使うアセチレン（C2H2）と，ガソリンに含まれるオクタン（C8H18）1 molを完
全燃焼させると，発生する熱量はそれぞれ1298 kJ，5500 kJである．それぞれを1 gずつ
燃やした場合，どちらの熱量が大きいか．また発生する二酸化炭素の質量はどちらが多い
か．ただし，原子量はC：12，H：1.0，O：16とする．
解答
発熱量はアセチレンのほうが多く，二酸化炭素の発生量もアセチレンのほうが多い．
解説
それぞれの反応を熱化学反応式で表してみる．
C2H2 ＋ 5/2 O2 ＝ 2CO2 ＋ H2O ＋ 1298 kJ
(分子量26)
C8H18 ＋ 25/2 O2 ＝ 8CO2 ＋ 9H2O ＋ 5500 kJ
(分子量114)
求める数値を下表に示す．
アセチレンC2H2
オクタンC8H18
1 molの質量
(分子量
26 g/mol
114 g/mol
1 / 26 g/mol ＝ 0.038 mol/g
1 / 114 g/mol ＝ 0.0088 mol/g
1298 kJ/mol
5500 kJ/mol
1298 kJ/mol / 26 g/mol
5500 kJ/mol / 114 g/mol
g/mol)
1gの物質量
(mol/g)
1molあたりの
発熱量
(kJ/mol)
1 gあたりの
発熱量
＝ 50 kJ/g
＝ 48 kJ/g
(kJ/g)
1molあたりの
CO2の発生量
2.0 mol/mol
8.0 mol/mol
0.038 mol × 2.0 mol/mol
0.0088 mol × 8.0 ＝ 0.070 mol
(mol/mol)
1 gあたりの
CO2の発生量
(mol，g)
＝ 0.076 mol
44 g/mol × 0.070 mol ＝ 3.1 g
44 g/mol × 0.076 mol ＝ 3.3 g
【参考】
CとHからなる化合物（炭化水素という）を燃焼させると，以下のようなデータが得ら
れる．
燃焼する物質
CH4
メタン
1gあたりの発熱量(kJ/g)
1gあたりのCO2発生量(g/g)
C3H8
C5H12
C2H4
プロパンヘキサンエチレン
55.7
50.4
48.4
50.4
2.8
3.0
3.1
3.1
アセチレン，オクタンの場合と比較してみても，数値にはそれほど大きな差はない．す
なわち，どんな炭化水素でも，燃料として用いると1 gあたりの発熱量はほぼ等しく，二
酸化炭素の発生量もメタン以外はほぼ同じである．
「化学」入門編
第
１
章末問題解答集
10章身の回りの酸と塩基を考える
身の回りにある食品でpHによって色が変わるものを探してみよ．また，食品のなか
で塩基性のものが少ない理由を考えてみよ．
解答
pHによって色が変わる食品には，紫キャベツ，赤カブ，ブドウ，カレー粉（ターメリ
ック），シソの葉，タマネギの外皮（ケルセチン）
，紅茶などがある．
食物のなかで塩基性のものが少ない理由は，元来，私たち人間の体や食物の素である生
き物は弱酸性だからである．
解説
私たち人間が塩基性の食物をとると，化学反応（中和反応）が起こり，食物が変化する
ことがある．また，食物を摂取すると，最初に入る消化器は胃であり，胃液はpH ＝ 2.0
の強酸である．さらに，塩基性の食品（「塩基性食品」ではない）には苦味をもつものが
多く，食べておいしいものは少ない．
植物に含まれるアルカロイドは窒素を含む化合物であり，苦く，食べられない．また，
食べ物が酸性を示す働きには，金属イオンの存在も重要である．
食品ではないが，アジサイやアサガオの花の色素も変色する．
２
雨水は中性（pH ＝ 7）ではなく，弱酸性（pH ≒ 5.6）である理由を考えてみよ．
解答
空気中の二酸化炭素が雨水に溶けて，一部が炭酸になるため．
解説
現在の大気中には約370 ppmの二酸化炭素が存在し，この二酸化炭素が雲や雨のなかに
溶けこむと，次の反応でまず炭酸 H2CO3が生成し，その一部が電離して水素イオン（プ
ロトンH+）をだすために，およそpH ＝ 5.6の酸性を示す．
CO2 + H2O → H2CO3
H2CO3 → H+ ＋ HCO3－
HCO3－ → H+ ＋ CO32－
３
pH ＝ 3の塩酸を1000倍にうすめるとpHの値はいくらになるか？その塩酸をさらに
1000倍うすめたときはpHの値がどうなるか考えてみよ．
解答
pH ＝ 3のとき，[H+]＝ 10－3 mol/L，これを1000倍に希釈するとその濃度は
10－3 mol/L × (1/1000)
＝ 10－6 mol/L
となり，pH ＝ 6となる．
さらにこの酸性溶液を希釈していくと，中性（pH ＝ 7）に限りなく近づく．
解説
薄い酸性溶液を希釈しても，うすめる水が中性（pH ＝ 7）だから，中性に限りなく近
づくだけである．pHが7より大きくなることはない．
塩基でも同様で，薄めていけばpH ＝ 7に近づく．
４
次のそれぞれの右向き，左向きの両方の反応で，どの物質が酸で，どの物質が塩基
の役割を果たしているかを考えてみよ．また，その理由をブレンステッド－ローリーの定
義を用いて説明せよ．
(1) NH3 + H2O Ê NH4+ ＋ OH－
(2) CH3COOH + H2O Ê CH3COO－＋ H3O+
解答
ブレンステッド・ローリーの酸・塩基の定義では，水素イオン（H+）を放出する物質
が酸，H+を受け取るのが塩基である．
(1)右向きの反応
NH3
+
H2O
塩基
左向きの反応
NH3
→
NH4+
＋
OH－
←
NH4+
＋
OH－
酸
+
H2O
酸
(2)右向きの反応
CH3COOH
+
酸
左向きの反応
CH3COOH
H2O
塩基
→
CH3COO－＋ H3O+
←
CH3COO－＋ H3O+
塩基
+
H2O
塩基
酸
解説
(1)右向きの反応では，アンモニア（NH3）がH+を受け取ってNH4+になっているので塩基
である．一方，H2OはH+を放出して水酸化物イオン（OH－）となっているので，酸であ
る．
左向きの反応では，アンモニウムイオン（NH4+）はH+を放出してNH3になっているの
で酸（共役酸という）であり，OH－はそのH+を受け取ってH2Oになっているので塩基（共
役塩基という）である．
(2)右向きの反応では，酢酸の分子（CH3COOH）はわずかながら電離してH+を放出して
酢酸イオン（CH3COO－）となっているので酸であり，H2OはそのH+を受け取ってH3O+に
なっているので塩基である．
左向きの反応では，H3O+は H+を放出してH2Oになっているので酸（共役酸という）で
あり，酢酸イオン（CH3COO－）はそのH+を受け取ってCH3COOHになっているので塩基
（共役塩基という）である．
５
同じ濃度の水酸化ナトリウム水溶液とアンモニア水は，どちらが強い塩基性を示す
か．また，その理由を考えてみよ．
解答
水酸化ナトリウム水溶液のほうが強い塩基性を示す．
塩基の強弱は電離で生成する水酸化物イオン（OH－）の濃度で決まる（p.125）．濃度
が同じでも，水酸化ナトリウムのほうがアンモニア水よりも電離してOH－を生成する割
合が高い（OH－の量が多い）ため，水酸化ナトリウムのほうが強い塩基性を示す．
解説
水酸化ナトリウム水溶液とアンモニア水では，それぞれ次のような電離が起こる．
NaOH → Na+ ＋ OH－
NH3 + H2O Ê NH4+ ＋ OH－
水酸化ナトリウムでは，ほとんどすべてがNa+とOH－に電離している（電離度が大きい）．
一方，アンモニア水では，アンモニア分子が一部しか電離せず，大部分がNH3のまま残っ
ている．このためOH－の濃度は低くなる．
【参考】
酸や塩基がH+や OH－を生じる割合を電離度という．濃度のうすい強酸や強塩基は，ほ
ぼ完全に電離している（すなわち，電離度は約1.0）．たとえば，0.1 mol/Lの塩酸 HClの
なかには，H+ が0.1 mol/L，Cl－が0.1 mol/Lあり，HCl分子は存在しないと考えてよい．
同様に，0.1 mol/Lの水酸化ナトリウム NaOH水溶液中には，Na+ が0.1 mol/L，OH－が0.1
mol/Lあり，NaOHとなったものは存在しないと考えてよい．
一方，酢酸CH3COOHやアンモニアNH3は，水溶液中でも一部分しか電離しないので，
それぞれ，弱酸（弱い酸）や弱塩基（弱い塩基）と呼ばれる．
６
濃度0.2 M（mol/L）の水酸化ナトリウム水溶液10 mLを用意して，次の操作をした
とき，どのような反応が起こり，混合溶液の酸性，塩基性はどうなるか．またその理由を
考えてみよ．
(1) 0.2 M塩酸10 mLを加えたとき
(2) 0.2 M酢酸水溶液10 mLを加えたとき
解答
(1) NaOH + HCl → NaCl ＋ H2O の中和反応が起こり，中性の水溶液（pH ＝ 7）
ができる．
(2) NaOH + CH3COOH → CH3COONa ＋ H2O の中和反応が起こるが，強塩基の
NaOHと弱酸のCH3COOHとの中和反応であるから，強いほうの塩基性の性質が残って，
弱塩基性の溶液になる．
解説
(1) 強塩基である0.2 Mの水酸化ナトリウム水溶液は，完全に電離してすべてナトリウム
イオン（Na+）と水酸化物イオン（OH－）になる．
NaOH → Na+ ＋ OH－
同様に，強酸である0.2 Mの塩酸も，完全に電離してすべて水素イオン（H+）と塩化物
イオン（Cl－）になる．
HCl → H+ ＋ Cl－
したがって，両方の溶液を加えると，上記の反応の右辺を足し合わせて，水酸化物イオ
ン（ OH－）と水素イオン（H+）が反応して中性を示す水が生成し，残ったNa+とCl－から
塩（えん）である塩化ナトリウム（NaCl）を生じる．
OH－＋ H+ → H2O
一般的に，強酸と強塩基からできる塩の水溶液は中性となる．
(2)生成した塩のCH3COONaは次の式のように完全に電離する．
CH3COONa → CH3COO－ + Na+
ところが，ここでできた酢酸イオンCH3COO－は，次のような酢酸の電離（p.125）で
できるイオンと同じものである．
CH3COOH Ê CH3COO－ + H+
酢酸は電離度が小さいから，大部分のCH3COO－はH+と左向きに反応してCH3COOHに
戻ってしまう．このときに必要になるH+は，水分子の電離（p.121）によって供給される．
H2O Ê H+ ＋ OH－
このようにして，水溶液中からはCH3COO－が減りOH－が生じるので塩基性になる．
これらの反応をまとめると，中和でできた塩が水と反応して，一部が水酸化物イオン
（ OH－）になる反応とみることができる．これを「塩の加水分解」と呼ぶこともある．
化学反応式で書くと次のようになる．
CH3COONa ＋ H2O → CH3COOH + Na+ + OH－
一般に，このような弱酸と強塩基の中和でできた塩は，水溶液中で塩基性を示す．また，
強酸と弱塩基の中和でできた塩は，水溶液中で酸性を示す（たとえば，塩化アンモニウム
NH4Clなど）．
７
炭酸水素ナトリウム（NaHCO3）を胃の薬として服用したとき，作用する反応を考え
てみよ．
解答
胃酸は強酸である塩酸（HCl）を成分として含んでいる．そこに，弱酸と強塩基の塩で
ある炭酸水素ナトリウム（NaHCO3）が入ってくると，炭酸水素ナトリウムは弱塩基性を
示すので，塩基として作用して，次に示すような中和反応が起こる．
HCl ＋ NaHCO3 → NaCl ＋ H2O ＋ CO2
解説
この反応では二酸化炭素が生成し，ゲップがでるので，最近の胃腸薬にはあまり入って
いない．水酸化アルミニウム Al( OH)3を使った時期もあったが，アルミニウムの過剰摂
取を防ぐため，現在は酸化マグネシウム MgOなどが用いられている．
８
温泉の湯が酸性・中性・塩基性のどれであるかを調べるにはどうしたらよいかを考
えてみよ．ただし，調べるものは宿泊施設にあるものにかぎる．
解答
(1)紅茶の色の変化を見る．色がうすくなったら酸性の温泉である．
(2)サラダの材料に使用される紫キャベツを温泉につけて色の変化を観察する．赤っぽい
色になれば酸性，青っぽい色になれば塩基性である．赤紫色のキャベツの色が変化しなけ
れば，ほぼ中性と考えてよい．
(3)近くに咲いている花の色素を使ってもよい（赤色の花が青く変われば塩基性，青い色
の花が赤くなれば酸性）．これは，色素の成分としてアントシアニンが含まれているから
である．
( 4)ベーキングパウダーには炭酸水素ナトリウム NaHCO3が含まれている．温泉水に入
れたとき，温泉水が酸性ならば二酸化炭素 CO2の泡がでる．
H2SO4 ＋ NaHCO3 → NaHSO4 ＋ H2O ＋ CO2
「化学」入門編
第
１
章末問題解答集
11章酸化と還元のしくみを考える
自然界に存在する金属の鉄は酸化鉄として産出する．しかし，金はそのままのかた
ちで産出する．そのような違いはなぜ起こるのか，理由を述べよ．
解答
金や白金，銀などはイオンになりにくい（イオン化傾向が小さい）ので，ほかの元素と
の化合物をつくりにくく，単体で産出する（このような金属元素を貴金属という）．一方，
鉄などは比較的イオンになりやすい（イオン化傾向が大きい）ので，酸素や硫黄などと化
合したかたちで産出する（このような金属元素を卑金属という）．
解説
元素が自然界でどのようなかたちで産出されているかを次の図に示す．
２
貴金属の銀でできている製品も長い時間が経つと黒ずんでくることがある．この理
由を述べよ．
解答
銀製品が黒ずむのは，表面に硫化銀（Ag2S）が生成するためである．
解説
銀は貴金属のなかでは比較的化学反応しやすく，周辺に存在する硫黄化合物（自動車の
排気ガスや，温泉の硫化水素，ゆで卵や目玉焼きの黄身，ゴム製品など）と反応して，表
面に硫化物であるAg2Sができ，黒ずんでくる．そのため，純銀でできているアクセサリ
ーは少ない．一般的には，スターリングシルバー（銀92.5%，銅7.5%）という合金が使わ
れ，輝きもよく，耐久性にもすぐれている．
３
金属のマグネシウムと窒素との反応を電子の授受から考えてみよ．
解答
窒化マグネシウム Mg3N2を生じる．
3個のMgからそれぞれ2個の電子（計6個の電子）が放出され，3個のMg2+となる（酸化
される）．N2はその6個の電子を受け取り2個のN3－となる（還元される）．これらから，最
終的にMg3N2が生じる．
解説
金属マグネシウムを， 800～ 850℃ の窒素気流中で加熱すると，窒化マグネシウム
（Mg3N2）を生じる．その化学反応式を電子の授受を考慮して書くと以下のようになる．
3Mg → 3Mg2+ + 6e－
N2 + 6e－ → 2N3－
最終的には次の反応が起こり，窒化マグネシウム（Mg3N2）が生じる．
3Mg2+ + 2N3－ → Mg3N2
４
日常使用している一円玉（アルミニウム製）と十円玉（銅製）のほかの物質との反
応のしやすさについて述べよ．
解答
水蒸気，水，塩類などとの反応性に関しては，銅のほうが安定である（反応しにくい）．
解説
十円玉には錆（さび）が発生しやすく，その種類には，黒色の酸化銅(I) Cu2Oや，緑
青（ろくしょう）と呼ばれる青緑色の塩基性炭酸銅 CuCO3・Cu(OH)2を主成分とする化
合物がある．しかし，水蒸気，水，塩類などとの反応性に関してはCuのほうがAlより安
定である．
一円玉は水蒸気，水，塩類などと反応して，表面に白色の酸化アルミニウム（アルミナ）
Al2O3ができるが，それ以上は反応しにくい．アルミニウムは酸にも塩基にも溶解する両
性金属であるが，酸化力のある酸にさらされて，緻密なAl2O3の酸化膜（表面不働態）が
いったん表面に形成されると，腐食に耐える金属となる．電気の力でアルミニウムを強制
的に酸化したものをアルマイトという．
このように，貨幣は合金や表面不働態などをつくりやすく，周囲の条件では変化しにく
いように加工されている．
５
いずれも還元剤に分類されている二酸化硫黄（SO2）と硫化水素（H2S）が反応する
と，どのような酸化還元反応が起こるだろうか．
解答
いずれも還元剤に分類されているが，硫化水素が還元剤として，二酸化硫黄が酸化剤と
して働き，次の反応が起きる．
SO2 + 2H2S → 2H2O + 3S
解説
還元剤のH2Sは電子と H+と単体の硫黄Sを放出し，酸化剤のSO2はその電子とH+を受け
取り，単体の硫黄Sと水H2Oを生じる．
H2S → 2S + 4e－ + 4H+
SO2 + 4 e－ + 4H+ → S + 2H2O
なお，二酸化硫黄の水溶液と硫化水素の水溶液を混合すると，硫黄のコロイド（p.8）
が生じて白濁する．
６
燃料電池を例に，酸化還元反応をエネルギーの観点から述べよ．
解答
火力発電は，化石燃料を燃焼させ，発生した熱エネルギーによってタービンを回し，そ
の回転が電気エネルギーに変換されるというしくみになっている．すなわち，次のような
エネルギー変換が行われている．
化学反応→熱→力学→電気
一方，燃料電池は，たとえば水素と酸素の化学反応から，直接，電気エネルギーを取り
だすことができる装置である．
化学反応→電気
解説
水素燃料電池の起電力は約1.14ボルトと計算されているが，いろいろなロス（結局，熱
に変わる）があって効率は下がる．また，燃料電池は大きく五種類に分類される．
電池の構造は電池式で表すのが普通である．電池式の書き方は，負極の材料，電解質溶
液，正極の材料の順に化学式で表示し，それらの間を縦棒で仕切る．
たとえば，アルカリ水溶液系の燃料電池なら，電池式は次のように表せる．
（負極）H2｜KOH(aq)｜O2（正極）
負極で起こる反応は
2H2 + 4OH－ → 4H2O + 4e－
正極で起こる反応は
O2 + 2H2O + 4e－ → 4OH－
であり，全体の反応としては
2H2 + O2 → 2H2O
となり，水素の燃焼反応になっている．
なお，水素は取り扱いが危険なため，メタン（天然ガス）の改質反応
CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2
を利用して，メタンから発生した水素を反応させている．
７
現在，使われている電池の種類，用途，反応について調べてみよ．
解答
おもな一次電池
おもな一次電池の
一次電池の構造と
構造と特徴
名
称
マンガン乾電池
アルカリマンガン
構造（電池式）
起電力
負極｜電解質｜正極
[V]
Zn｜ZnCl2(aq)｜MnO2，C
1.5
一般用，安価
Zn｜KOH(aq)｜MnO2
1.5
マンガン乾電池より高性能
乾電池
特徴と用途
（ストロボ，携帯機器）
酸化銀電池
Zn｜KOH(aq)｜Ag2O
1.55
起電力安定・小型・高出力
（電卓・時計・カメラ）
リチウム電池
Li｜LiBF4(org.sol.)｜MnO2
3.0
小型・軽量・高電圧（時計・
カメラ・メモリーバックアッ
プ）
aq：水溶液
org.sol：有機溶媒
おもな二次電池
おもな二次電池の
二次電池の構造と
構造と特徴
名
称
鉛蓄電池
構造（電池式）
起電力
負極｜電解質｜正極
[V]
Pb｜H2SO4(aq)｜PbO2
2.0
安価（自動車・産業用）
1.5
機械的強度大・長寿命（携帯
ニッケル・カドミ Cd｜KOH(aq)｜NiO(OH)
ウム電池
特徴と用途
機器・産業用）
ニッケル水素電池
＊
MH｜KOH(aq)｜NiO(OH)
1.2
軽量・高エネルギー密度（携
帯機器・電気自動車）
リチウムイオン
LiCoO2｜LiBF4(org.sol.)｜C
3.6
電池
小型・軽量・高電圧（携帯電
話・カメラ・ノート型パソコ
ンなどの携帯機器）
＊MHは金属水素化物，Ｍは水素吸蔵合金を表す．
aq：水溶液
８
org.sol：有機溶媒
マンガン乾電池で起こる全体の反応式を書き表せ．
解答
放電の際の両電極での反応は，次のようになる（p.143）．
8 MnO2 ＋ 8 H2O ＋ ZnCl2 ＋ 4 Zn → 8 MnO(OH) ＋ ZnCl2･4Zn(OH)2
解説
マンガン乾電池の電池式は，次のように表せる．
（負極）Zn｜ZnCl2(aq)｜MnO2，C（正極）
放電の際の両極の反応は，次のようになる（p.143）．
負極：
4 Zn + 8 H2O + ZnCl2 → ZnCl2･4Zn(OH)2 ＋ 8 H+ + 8 e－
正極：
8 MnO2 ＋ 8 H＋＋ 8 e－ → 8 MnO(OH)
これらの反応をまとめると全体の反応式が導ける．
8 MnO2 ＋ 8 H2O ＋ ZnCl2 ＋ 4 Zn → 8 MnO(OH) ＋ ZnCl2･4Zn(OH)2
なお，マンガン乾電池のなかにはNH4Clが含まれており，これが電離してできたNH4+
からNH3が生じて（p.124），溶液のなかでZn2+と錯イオン[Zn(NH3)n]2+を形成し，反応を
起こりやすくする働きをしている．
「化学」入門編
第
１
章末問題解答集
12章光は物質をどう変えるか
ルミノールという物質が酸化されると，エネルギーの一部を青色の光として放出す
るが，ヘモグロビンという物質が微量でも加わると，非常に起こりやすくなる．この反応
はどんなことに応用できるだろうか．
解答
血液が付着しているかどうかを検出できる．
解説
ヒトの血液の赤血球内にはヘモグロビンというタンパク質があり，鉄と結びついた化合
物（ヘム鉄）を含んでいて，酸素を肺から組織まで運ぶ役割を果たしている（p.18）．血
液が体外にでると，空気中の酸素とヘム鉄が反応して，鉄は3価すなわち鉄(III)になる．
この鉄(III)が，酸素によるルミノールの酸化を触媒する．
【参考】
ルミノールという物質が酸素 O2または過酸化水素 H2O2で酸化されると，気体の窒素
（ N2）を放出すると同時にエネルギーの一部を青色の光として放出する．反応機構を下
に示すが，第一段階の酸化の前に，塩基性の条件で，ジアニオンのかたちをとる．
O
O
NH
NH
過酸化水素
N
N
塩基（アルカリ）性
NH2 O
NH2 O
（ジアニオン）
ルミノール
O
O
酸化
N
N
NH2 O
酸素
O
O
＋窒素＋光
NH2 O
この反応は，血液中のヘモグロビン（酸素運搬タンパク質）や，それが分解してできる
ヘミンによって触媒され，非常に起こりやすくなる．この反応は，次のように応用できる．
もし，血痕かと疑われるシミがあるとき，そこに塩基性のルミノール溶液と過酸化水素
水をつければ，青白い光がでるかどうかで，血痕かどうかを判別できる．これが警察の捜
査などで，血痕の鑑識に利用されてきた（いわゆるルミノール反応）．
この反応では，反応するルミノール分子100個のうち1個が光をだし，残りは熱エネル
ギーになる．割合として，とても少ないと感じるかもしれないが，これでも化学発光とし
ては非常に効率が高い（すなわち鋭敏な）反応である．また，新鮮な血液ではなくても検
出できるのが，非常に便利な点である．
この方法で誤った結論を導いてしまうとしたら，いったいどのような場合だろうか．化
学的な観点から考えてみてほしい．ウシやブタの血痕でも同じ結果になることはいうまで
もないが，ヘモグロビンと同じようなヘム鉄を含む物質に対して，同じように反応する．
たとえば，筋肉に含まれるミオグロビンがその代表である．ミオグロビンは酸素を蓄える
機能をもち，海中深く潜水するクジラの筋肉などに多く含まれる．また，マメ科植物が空
中窒素固定に利用している「根粒」には，レグヘモグロビンという物質が含まれている．
根粒中に共生する細菌が窒素固定を効率よく行うには，細菌が生きている環境の酸素濃度
を周囲より低く，かつ適切な濃度に保つ必要があり，レグヘモグロビンがその機能に深く
かかわっている．いずれの物質も，血液の赤血球に含まれるヘモグロビンと同じく，鉄原
子と酸素との結合が大切な役割を果たしている．
ところで，昔から血痕検出は重要な捜査技術だった．コナン・ドイルが1887年にシャ
ーロック・ホームズシリーズの第一作として発表した，
『緋色の研究』（原著名：A Study
in Scarlet）に，初対面のワトソンに向かってホームズが「血色素にあえば沈殿するけれ
ど，血色素以外のものでは絶対に沈殿しない試薬を発見」し，シャーロック・ホームズ法
だと自慢する姿が描かれている．
この試薬はいったいどのような化合物だったのだろうか，
と想像してみるのも楽しいだろう．ちなみに，作者のコナン・ドイルは医師だった．
２
光合成では2H2O → 2H2 ＋ O2という反応で酸素が発生する．水素原子はどこへい
ったのだろうか，調べてみよ．
解答
炭水化物のなかの水素になっている．
解説
水素の同位体（重水素）を用いた追跡実験によって，水分子の水素は糖質（炭水化物）
の水素になっていることがわかった．
【参考】
炭水化物に水素がとりこまれる過程は複雑である．カギは，植物体内にある葉緑体とい
う精密な装置のなかにある．
植物は緑色に見えるが，光合成に関係する葉緑素（クロロフィル）という色素が含まれ
ていて，紫～藍，および赤の光を吸収し，その結果「補色」の緑色を示すからである．ク
ロロフィルの分子は二重結合が連続した構造をもっている．さらに，たくさんのクロロフ
ィル分子が共同して，弱い光があたっても光を集める巧妙なシステムが働いている．
第一段階］
［第一段階
］クロロフィル分子に光があたると，光のエネルギーが水との化学反応に使わ
れ，水の酸素原子が酸素の単体 O2になる．すなわち，水分子のなかの酸素（酸化物イオ
ンO2－として存在する）は酸化されて単体となり，水素イオン H+と電子 e－が放出される．
ここまでの作業を共同で行う物質のグループを「光合成系II」といい，波長が660 nmよ
り短い光（高いエネルギーの光）を使って反応が起こる．
［第二段階］
第二段階］電子（e－）はここがゴールではなく，いろいろな径路（パス）を経て，クロ
ロフィル分子を含むまったく別の「光合成系 I」という物質グループに手渡され，その働
きでH+と反応して，NADPとも結合し，NADPHという物質ができる．このように，水分
子のなかにあった水素原子は，この段階では半分がNADPH，半分が水素イオン（H+）に
なっている．
葉緑体の膜の内側にH+がたまってくると（葉緑体内部のpHが下がると），H+の少ない
膜の外側に運びだされる．その際，ひきかえに高いエネルギーをもつATPが内側に運び
入れられる．
こうして，光があたった結果，酸素が発生しただけでなく，光エネルギーがNADPHと
ATPという二種類の化学エネルギーに蓄えられたわけである．
［第三段階］
第三段階］ここから先が，本当の意味での「炭酸固定」であり，光があたっていなくて
も起こるので，
「暗反応」という（これに対し，先ほどの「光合成系 I」と「光合成系II」
では光があたることが必要で，明反応とよばれる）．
植物の細胞には，リブロース-1,5-ビスリン酸という，炭素原子5個から形成される（C5
化合物という）特殊な炭水化物（糖）があり，二酸化炭素CO2を強力に捕まえる．このC5
化合物の反応をあやつっているのがルビスコというタンパク質である．C5化合物は二酸化
炭素を吸収すると炭素三つの炭水化物にわかれる．
C5化合物＋ CO2 → 2C3化合物
こうやって二酸化炭素は炭水化物に取りこまれるが，これではC5化合物がいなくなるの
で， 1回限りしか反応が起こらない．ここで，「明反応」で，光エネルギーから生みださ
れた「ATPとNADPH」が複雑な共同作業をして，再びC5化合物が再生産される．このと
き同時にグルコースが生成するので，
植物はさまざまな炭水化物に変えてこれを貯蔵する．
また，さらにセルロースに変えて，植物の体の骨組みとしても使う．
このように複雑な機構であるが，光合成は，太陽の光のエネルギーを化学エネルギーに
変える，すぐれたシステムである．
３
A子さんは家電量販店のアルバイトに遅刻しそうになり，あわてて地下鉄の電車の
なかで顔の化粧をした．ところが，会場についてみると，周囲のスタッフたちはA子さん
の顔色を見て驚いた．一体何が起こったのだろうか．蛍光灯のスペクトルと色から考えて
みよ．
解答
販促会場の蛍光灯についている蛍光管と，地下鉄内の蛍光灯についている蛍光管のだす
光の波長が微妙に異なったので，顔に反射したときの色が異なって見えた．
解説
蛍光管は，本文で解説したように，放電で生じる紫外線が管の内側に塗られた蛍光物質
にあたって可視光線が生じるというしくみで光を発している（p.153）．発する光の波長
は飛び飛びであり，管内の蛍光物質の種類によって多少異なる．このため，発する光の微
妙な違いにより，蛍光管には「白色光」
「昼色光」
「電灯の光」などいろいろな種類がある．
【参考】
じつはこのエピソードは，A子さんが若かりしころの話である．彼女は家電量販店のア
ルバイトに採用されたが，担当商品が蛍光灯の新商品だったのだ．周囲のスタッフたちが
みな「？？」とA子さんに尋ねたのも無理はない．地下鉄の車内で使われていた蛍光管と
会場の蛍光管で，発する光がかなり違ったので，コンパクトの鏡を見ながら一生懸命に化
粧したのに，会場では失笑を買うような顔色に見えてしまったのである．
光が物にあたって見える「色」は，その物が特定の波長を吸収して残った光が反射や投
下したもの，つまり「補色」を見ているので，元の光を構成していたいろいろな波長の光
の比率が違うと，異なった色に見えてくる．
極端な例を考えてみよう．ナトリウムランプ（p.161）は，589 nm程度の黄色～オレン
ジの光しかだしていない．そんな光が，黄色～オレンジ色の物体（黄色～オレンジ色の光
は反射する性質をもつ）にあたった場合は，その色に見える．しかし，たとえば青い物体
にあたった場合には，反射して見えるはずの青い光は含まれていないので，黒く見えるこ
とになる．
トンネルのなかでナトリウムランプで照らされた物体が奇妙な色に見えるのは，
それが理由である．
人工の光があたったとき，自然の光のもとで物体が本来示すはずの色を基準として，ど
れくらい本来の色からのずれが少なく再現できているか，を表す程度を「演色性」という．A
子さんは，販促会場にある新商品の蛍光管とは演色性が非常に異なる，地下鉄車内の蛍光
管の光で化粧をしていたのだった．
現在の蛍光管は，光の三原色である赤，緑，青の強さをバランスよくとって，演色性を
高めるように工夫されたものが多い．このような，「本来の色をきれいに再現する」とい
う問題は，白色LED（p.155）の開発途上でも検討された．初期の白色LEDでは，波長が
短い青色LEDに，青色の光を吸収して黄色の光をだす蛍光体を添加し，青色＋黄色（補
色どうしの関係にある）で擬似的な白色光をだしていた．しかし，これでは演色性が低く，
照明としての利用には適していなかった．現在は，新しい蛍光体が開発され，青色から，
黄色～緑色，赤色を発生させ，もとの青色と混ぜて白色光をだすようになっている．
なお，蛍光灯の光の波長は飛び飛びだが，白熱電灯のように，加熱された物質から生じ
る連続的な波長をもつ光と「同じように」見ることができる．加熱された物質からでる光
（黒体輻射という）は，黒体の温度で表し，この温度を色温度（いろおんど）と呼ぶ．単
位には，絶対温度 K（ケルビン）が用いられる．普通の太陽光線は5000～6000 Kぐらい
であり，朝夕はもっと低くなる．蛍光灯にもいろいろな種類があることは上述したとおり
だが，それぞれ設定された色温度が異なっている．
４
ルシフェラーゼとホタルルシフェリン（p.156参照）だけを準備して，ここにもし
大腸菌など，ATPをつくるものがわずかでも混入すると鋭敏に光る．この現象は，どんな
用途に利用できるだろうか．
解答
雑菌が混入してはいけないような環境や食品素材などに，雑菌がいるかいないかを鋭敏
に判定できる．大腸菌などATPをつくるものがいれば，光がでてくるのですぐわかる．
解説
ルシフェラーゼとルシフェリンを準備すると，あとはATPが存在すれば空気中の酸素
で酸化されて光がでるが，この反応は非常に鋭敏である．生きてATPをつくるものがわ
ずかでも混入していると光るので，感度よく検出することができる．この原理は衛生検査
（清浄度検査，微生物検査）などに応用できる．
【参考】
実用化するためには，技術的にいくつかの壁があった．しかし，日本のある会社が衛生
検査用の測定器，ふき取り検査用キット，測定用試薬キットを開発し，迅速かつ正確に現
場で検査することが可能になった．ルシフェラーゼの量産化が大きな壁であったが，大腸
菌にゲンジボタルの発光酵素遺伝子を組みこみ，ルシフェラーゼを大量発現させて成功し
た．同社は，「ホタルルシフェラーゼの応用開発」という名目で，社団法人日本農芸化学
会の 2004年度農芸化学技術賞を受賞した．結婚披露宴でシャンパングラスのタワーに注
いで光の滝をつくり，披露宴のクライマックスを演出している「ホタライト」（p.156）
も同じ技術を基盤として，同社によって開発されたものである．
５
トマトは真っ赤な色をしているが，どんな構造をもつ色素が含まれているかを調べ，
トマトが青色にならない理由を考えてみよ．また，ニンジンの色素との関係も調べてみよ．
解答
トマトは実ができた直後は緑色だが，これは葉緑素（クロロフィル）の色である．熟し
てくるとリコペン（リコピン）という色素の量が増えてくる．トマトの真っ赤な色はこの
色素のためである．
解説
リコペンは，ニンジンの色素であるβ－カロテンと非常によく似た構造をしている
（ p.158）．一つおきにつながった二重結合の数は同じである．ここから，吸収する光の
波長はニンジンの色素とほぼ同じ，すなわち青緑の光が吸収されると推論できる．その結
果，その補色である赤に見える．
β－カロテン
リコペン（リコピン）
【参考】
リコペンには，動脈硬化症やがんなど，多くの生活習慣病の原因となる活性酸素の一種，
一重項酸素を消去する作用があるとされる．その活性は，同じような作用のある脂溶性還
元剤であるビタミンEの100倍以上，β－カロテンの約2倍とされていて注目を集めている．
ある日本の飲料会社は，トマトジュース用に，リコペンの含有量が高く，糖分が少ないト
マトの品種を開発した．
なお，西洋料理でトマトが煮込みのベースやソース類に多用されるのは，トマトにグル
タミン酸イオンの旨味が含まれるためで，いわば西洋版の「だし」といってよい．いまか
ら100年ほど前の日本で，昆布の旨味成分としてつきとめられたグルタミン酸イオンそれ
自身にはほとんど味がないが，ナトリウムイオン（塩味）が適量加わると旨味が増強され，
さらに細胞内のATPやDNAなどの成分であるヌクレオチド（リボース-5’-モノリン酸類）
を少し加えると旨味が格段に増す．化学調味料の主成分はグルタミン酸ナトリウムである
が，鰹節に含まれるイノシン-5’-モノリン酸（イノシン酸）や，シイタケに含まれるグ
アノシン-5’-モノリン酸（グアニル酸）なども添加されている（パッケージに表示され
ている）．化学調味料に「いの一番」という名前の商品があるが，その語源は鰹節の旨味
であるイノシン（イノシン酸）からきていることが想像できるだろう．

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