【自然な発想で解ける!】2020年東大化学の解答例&徹底解説!【東大生の過去問解説】

こんにちは!ポケット予備校です!

今回の記事では、2020年2月実施の東大化学の解答、解説と全体を振り返って行きたいと思います。
問題はこちら(東大HPにとびます)

全体の概観

近年との大きな違いをあげるとすると、2016年以来に、全ての大問が2つに分かれたということでしょう。大問が2つに分かれるということ自体で、問題数が大きく増えるということはこの何年間かの問題を見る限りないのですが、問題文量が増えてしまいます。また、東大は総合問題が多いとはいえ、6種類の問題になるということで、より問われる知識などの幅が広がると考えられます。各問の難易度は置いといて、この点から全体としては、高得点をするのが難しいセットになったのではないかと思います。

大問1は、後半で構造決定の問題ですが、パズル要素の低い問題が出題されており、とっつきにくい印象があります。前半は糖についてしっかり理解しきっているかが問われており、基本的な問題ですが、案外差が生じたのではないかと思います。

大問2は、前半で無機に関してしっかり聞いてきましたね。後半はまさかの2年連続結晶の問題でした。東大は近年、無機の問題でその知識を単純に問うことは少なかったと思うのですが、この年はそこまでしっかり詰めているかで差が出た印象です。東大化学は、思考力だけでなく、基礎的な知識も徹底してくれと、受験生に訴えてるのではないでしょうか。

大問3は東大らしいと言っていいのか分からないですが、よくある問題を全く違う問題のように上手く見せています。特に後半は各設問の問題文も長く、自分の中で慌てず、しっかり基本問題に切り替えてできるかというところです。

全体として、この大問は簡単でほぼ完答が狙えるというのがあまりなく、難易度自体もやや難以上に全て該当するかと思います。大問3が一番無難な問題が多いので、ここで稼いで、大問1の基本問題、大問2の無機の知識のところをしっかり得点できると、かなりの高得点になるのではないでしょうか。

大問1

難易度

難化

概観

これはもしかしたら、私だけかもしれませんが、難しいと思います。前半で糖に関してここまでしっかり出してくるのはあまり記憶にないです。後半もコ、サあたりは思いついたら簡単、思いつかなかったらできないの二極化で厳しいと思います。

糖の知識自体はそこまで高いものが要求されていた訳ではなく、二単糖ならどこで単糖が結合しているのかを知っておく程度です。如何に基本に忠実であるかが大事ですね。カは少し頭を使いますが、差をつけるためにはできておきたいです。
構造決定は、ケまでは行きたいですね。そこからは、フマル酸、マレイン酸が思い出されるかだけです。この2つは有機のだいぶ最初の段階で学習するので、もしかするとあまり覚えてなかったという受験生も多いでしょう。

解答・解説

ア C13H18O7

構造決定の基本ですね。やることは東大受験生なら、自明なので式だけ示します。

二酸化炭素に注目して、Cは143×12/44=39 g よって、物質量は39/12=3.25

水に注目して、Hは40.5×2/18=4.5 gよって、物質量は4.5/1=4.5

C:H=13:18となる。分子量が286であることから、C=13,H=18だと考えられる。

残りから、O=7と分かります。

イ Bグルコース Dフルクトース Fアセチルサリチル酸

Bは問題文にセルロースやデンプンを構成する単糖とあるので、グルコースです。

Dはスクロースを構成する単糖で、グルコースではない方なので、フルクトースです。

FはEからアセチル化(無水酢酸と濃硫酸)によって生じて、解熱鎮痛剤というヒントから、アセチルサリチル酸だと気づくことができるでしょう。アセチルサリチル酸の構造式を覚えていれば、CもEも簡単にわかるのですが、覚えていないことも考えられますので、CからFまでたどり着きましょう。Cは塩化鉄(Ⅲ)を呈色するので、フェノール性水酸基があります。酸化が可能なように考えると、以下のようになることはわかります。Eで分子内水素結合が生じることも考えると、より分かりやすいです。Cさえ、分かれば、手順通りに進めましょう。

ウ 鎖状構造4個、六員環構造5個

東大生受験生なら、グルコースの平衡状態はご存知でしょうし、構造式が書ける必要があります。不斉炭素はグルコースの構造式を書くと、自明ですし、よく聞かれることなので、覚えてしまってもいいのではないでしょうか。

エ セロビオース、マルトース

構成する単糖が、開環してアルデヒト基を持つ構造に変化し、還元性を示すから。

傍線部①は還元性を持つか否かということを問うています。還元性を持つというのは、単糖が開環して、アルデヒト基が生じるかどうかということです。二単糖が単糖のどの部分が結合してできているのかを知っておく必要がありますね。スクロースはα―グルコースの1位の炭素原子とβ―フルクトースの2位の炭素原子がグリコシド結合しています。これは共に開環する部分が、縮合に使用されているので、還元性を持ちません。マルトースは、α―グルコースの1位の炭素原子とα―グルコースの4位の炭素原子が縮合していて、セロビオースは、β―グルコースの1位の炭素原子とβ―グルコースの4位の炭素原子が縮合しています。いずれも開環可能なので、還元性を持ちます。

イを参照。

問題文第三段落をどう理解できるかというのが問われています。

Xはセロビオースを、Yはマルトース、スクロースを分解することから、Xはβ―グルコースの1位の炭素原子、Yはα―グルコースの1位の炭素原子が形成するグリコシド結合を選択的に分解することが分かります。こういった、酵素の選択的分解を知っていることも必要ですし、この手の問題を解いたことがあるかないかでかなり差がつくのではないでしょうか。

ここまで分析できれば、あとはAの情報を整理しましょう。

Xによって、分解され、塩化鉄(Ⅲ)による呈色反応を示さない、そして還元性を持たないことです。

以上から、β―グルコースの1位の炭素原子のヒドロキシ基と塩化鉄(Ⅲ)による呈色反応がないことから、Cのフェノール性ヒドロキシ基が縮合していると考えると、条件を満たします。

キ CHI

これは基礎中の基礎ですね。ヨードホルム反応ですので、CHIが生じます。CHIとする人が多いので、気をつけましょう。

ク 118

このタイプの問題は高分子の計算問題でよく見かけるものですね。ぜひ取りたいところです。アルコールとエステル結合を1:1ですることから、ジカルボン酸であることは自明でしょう。カルボキシル基以外の部分をRと置くと、Jの分子量はM+90で、高分子化合物を繰り返し範囲で書いてみると、分子量は(M+116)nとなる。

重合度n=100より、(M+116)×100=1.44×104より、M=28

よって、求める分子量は118となる。

実験1の文章中に直鎖状とあるので、RはーCH―CH―となることが分かります。あとは、できるでしょう。

K,L,Mについて分かっていることを整理しましょう。

①Kは直鎖状化合物。

②Kは炭素数が4個で、不斉炭素原子を有している。

③K67.0mgと0.200mol/LのNaHCO35.00mLが過不足なく反応する。

④LはKから脱水すると生じて、Lに光を照射するとMが生じる。LとMは臭素と反応して、また幾何異性体の関係である。また、Lは脱水しないが、Mは脱水する。

この問題に関しては普通の構造決定の問題に比べると、パズル要素が低く、予想しないといけない点が難しいです。

LとMの関係に注目すると、幾何異性体の関係にあるが、片方は脱水ができないとあります。また、Kは炭酸水素ナトリウムと反応することから、酸性でありカルボン酸であることが予測されます。以上から、Lがフマル酸、Mがマレイン酸、Nが無水マレイン酸であることに気づくことができるかというのが山場です。

Lがフマル酸であることから、Kはリンゴ酸であることが分かります。②、③の条件を満たすを確認しましょう。

Gについて分かっていることを整理しましょう。

①炭素数5個で、ヨードホルム反応でJとKが生じる。

②G58.0mgと0.200mol/LのNaHCO3 2.50mLが過不足なく反応する。

Jが生じたことから、解答のようなものを考えることができる。②の条件も満たしているので、問題ない。

大問2

難易度

やや難

概観

前半のア、イ、エ、オ、カで東大としては珍しく、単に無機の知識を問うてきました。ア、エあたりは少し難易度が高いとは思いますが、このあたりでポロポロ落とす受験生を落とそうとしているのでしょうね。無機の知識の詰め込みを甘く見ないようにということで、来年以降の対策に備えましょう。ウは日本語が分かりにくく、割と煩雑な問題ですので、解ければ差をつけることができるくらいのテンションでいましょう。

後半は、ぱっと見では結晶の問題ですが、結晶の問題要素は1問くらいで、電子配置の問題になっています。この辺はあまり問題集でも登場回数も少ないですし、本質的には大学の駒場の必修でやるような内容もあるので、なかなか難しいと思います。とっつきにくいです。

解答・解説

ア 2、3

1 希ガス原子の価電子数はよく問われますが、0個です。オクテットを満たしていて、反応性が非常に乏しいからです。

2 これは正答です。

3 イオン化エネルギーは周期表の右上に行けば行くほど大きいです。

4 周期表の各元素の位置を確認しましょう。Brの横にKr、Iの横にXeがあるので、Kr原子の電子数はBrイオンの電子数に等しいです。

5 分子量が大きいほど、ファンデルワールス力が大きくなり、沸点が上昇するのは確かですが、ここでは塩化水素が極性分子であることが理由に挙げられるでしょう。

 

イ 操作1 CO2 操作2 O2 操作3 HO

操作1 水酸化ナトリウム水溶液はアルカリ性ですので、酸性の気体と反応すると考えられます。よって、二酸化炭素がここで除去されます。

操作2 銅が反応すると考えられるのは、酸素で酸化物を作ると判断できます。

操作3 濃硫酸の重要な性質として、吸湿性があります。よって、ここでは水が除去されます。

 

ウ 実験で得た気体中のアルゴンの体積百分率 1.1%

実験に用いた空気中のアルゴンの体積百分率 0.88%

イより、除去されたあとは、アルゴンと窒素が残留しています。

気体の状態方程式pv=nRTに注目して、同温、同圧では(Rは気体定数なので、等しい)n/Vが等しく、よって、密度は分子量に比例することがわかる。実験で得たArのモル分率をpとすると、この気体の平均分子量28.0(1-p)+39.9p=28.0×(1+0.476/100)

これを解いて、p=0.0112となる。

次に、実験に用いた空気で考えると、Arの体積百分率をqとすると、(100− 1.12)%:1.12%=78.0%:q%

これを解いて、q=0.883

エ 3Fe+4H2O→Fe3O4+Hの反応が起こり、分子量の小さい水素が生じるから。

これはなぜ鉄だとうまくいかないのか、鉄と銅の違いに注目する必要があります。

イオン化傾向の順に、金属の反応性に関しては学習しているとは思うので、周囲に差をつけるためには得点しておきたい問題です。

鉄は、銅よりイオン化傾向が大きく、高温の水蒸気と反応します。鉄に比べると、水分子は、分子量が小さいので、混合気体の平均分子量が小さくなります。故に、密度も小さくなると考えられます。

オ NHNO →N+2HO

解説不要でしょう。窒素の生成過程で有名です。酸化数は−3と+3→0です。

カ CO2+2H+e→HCOOH

2HO→O+4H+4e

酸化還元の式の作り方を覚えていますか?という確認レベルの問題です。二酸化炭素からギ酸、水から酸素が生成されることさえ、分かれば大丈夫でしょう。

この手の問題が東大で出題されることは非常に珍しいです。これを本質的に理解するには、大学1、2年で習うような知識、考え方が必要です。とりあえずは、オクテットを満たしていればよく、高校生の間は有名どころは覚えてしまっておくのがいいと思います。
HCNに関しては、窒素分子が3重結合であることを踏まえてくれると容易でしょう。
NOは全体の電子数を計算すると、5+6×2+1=18です。これが、オクテットを満たすように考えてみましょう。

ク HCN、NO、N

この問題に関しては、キをヒントに各イオン等について、形を考えて見るしかありません。その際には、非共有結合も形の形成には影響を及ぼすので要注意です。直線になるときは、中心の原子が非共有結合を含め、いわゆる結合の腕を2本であるときだと考えましょう。

ケ 1.6g/cm3

よくある結晶関連の問題です。最近接の原子がどれであるかは、一目瞭然でしょう。

単位格子の1辺は0.40×√2nmです。後はよく問題集に見かけるように、単位格子内の二酸化炭素分子の数を数えます。1/8×8+1/2×6=4個です。

ゆえに、44.0×4/6.02×1023で質量(g)がわかるので、体積=(0.40√2×10−7cm)3から、導出の方可能だと思います。

コ C原子よりO原子の方が電気陰性度が大きく、CO間の結合では、共有電子対はO原子側に偏る。よって、二酸化炭素分子内では、O原子は負に、C原子が正に帯電しているから。

問題文に電気陰性度に注目してとあるので、かなり平易な問題になってしまっていますが、これは自分でも気づくべきことでしょう。原子の距離という単語から分かるとは思います。酸素原子の方が電気陰性度が大きいので、二酸化炭素内では、酸素原子が負に、炭素原子が正になっているからだと考えられます。

第3問

難易度

やや難

概観

前半は多段階の反応ですね。イの問題がこの問題の本質ですし、よく問題集で見かけたのではないでしょうか。多段階反応はどれだけ練習しても、難しい部類に入るとは思いますが、大問1、2のバランスも考えると、できておきたいところです。

マグマ‥?となるし、問題文も長いですが、問われている内容は全問、非常に簡単です。とっつきにくそうな問題を単純あ問題に読み替えていく東大らしさが出ている良問です。ほぼ完答がマストだと思われます。

解答・解説

ア 第一反応 Na2CO3+HCl→ NaHCO3 +NaCl

第二反応 NaHCO3+HCl→NaCl+CO+HO

炭酸の二段階電離は問題集にもよくあるので、この問題に関しては覚えておくことが求められます。炭酸水素ナトリウムを経ることは有名でしょう。

よくあるミスなのですが、最後にHCOはHOとCOに分かれることには注意しておきましょう。

イ a [HCO3][H]/[H2CO3] b[CO32][H]/[HCO3]

c [CO32]+[HCO3]+[H2CO3] d[Na]+[H]=[HCO3]+2[CO32]+[OH]

e √KK2 f 8.34

a, b は東大受験生なら説明不要かと思います。右辺の濃度の積/左辺の濃度の積ですね。

c NaHCO3→Na+HCO

これと、電離定数を求めた最初の2式を参考にすると、ナトリウムイオンが炭酸水素イオンの物質量と等しく、炭酸水素イオンは、炭酸イオンと炭酸と可逆反応にあることを踏まえて解答のようになる。

d 電気的中性条件というやつですね。陽イオンの濃度=陰イオンの濃度とするやつです。

注意点は、2価や3価であると、電気的には×2、×3となることです。

陽イオンはナトリウムイオンと水素イオン、陰イオンは水酸化物イオンと炭酸イオンと炭酸水素イオンです。後は価数に注目してください。

e これは問題文の条件に従えば、それほど難しい問題ではないと思います。dの式を[Na]で割ると、1=2[CO2−]+[HCO]/[Na]となる。これは、条件文の条件から、0になる部分が生じているからである。両辺に[Na]をかけた後、cで求めた式を[Na]に代入して、整理すると、[CO32]=[H2CO3]。a、bの式をまだ利用していないので、そちらを利用します。a、bから[CO32−]、[H2CO3]が分かるので、それを代入して、答えが求められます。

f eで導出した式を用いれば容易でしょう。求めるpHは、―log√KK=1/2×(6.35+10.33)=8.34

ウ 炭酸ナトリウム:炭酸水素ナトリウム:水=1:1:2

こういった物質量や質量が不明な問題は、欲しい数値を文字で置くのが無難だと考えられます。炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、水和水をそれぞれ、x,y,zmolと置くと、106x+84y+18z=4.52と分かる。

また、文章中の実験より、x=1.00×20/1000 、y=1.00×40.0-20.0/1000となる。

これらより、x,y,zが求まるので、その比を導出すればよい。

エ 10.33

イのpHの問題とは少し違いますね。イの問題に出てくる[H2CO3]がこの問題では不明なので、それを使うことができません。ここは難しいかもしれませんが、何のためにウの問題があるかを考えてみましょう。ウより、[CO32]=[HCO3]となる。これより、

[H]=K2とわかる。後はできますね。

オ Hが加えられた時は、HCO+H→HCOの反応により、pHが低下を緩和し、

OHが加えられた時は、HCO+OH→HCO+HOの反応により、pHが上昇するのを緩和する。

緩衝溶液の問題で1度は扱った記憶がある問題なのではないでしょうか。Hが増えた時は、酸性になるはずですから、それが落ち着く方向になるようにアルカリ性になるような物質が生じるはずです。逆に、OHが増えた時はアルカリ性になるはずですから、それが落ち着く方向になるように酸性になるような物質が生じるはずです。こう考えるとなかなか難しいかもしれませんが、解答の式は覚えてしまっていいレベルのことだとは思います。

カ 0.18L

見慣れない問題で、とっつきにくそうですが、やることは気体の状態方程式を解くことだけです。マグマ1Lなので、そこから生じる水は、2.40×103×0.01=24g

求める体積をVとすると、8.00×107×V=24/18×8.31×103×(1047+273)

これを解くと、求まります。

キ 0.85倍

これも見慣れない問題で、どういうことを言っているのかから分かりにくいです。

気体分の体積の増加を考えたら良いことになります。よって、1/1.18を計算すれば良いことになります。

ク 206.9kJ

式を4つ連立して解いても、もちろん構わないのですが、それは面倒でしょう。生成熱を求める際の公式、(右辺の各物質の生成熱の合計)―(左辺の各物質の生成熱の合計)を用いましょう。20.2+(285.8-44.0)×2 -296.9=206.9

ケ g:発熱 h:正 i:増加 j:逆

これに関しては基本問題ですので、割愛します。温度が下がると発熱方向へ、圧力が下がると総気体分子数が増える方向へと反応が進むのは、ルシャトリエの原理の基本中の基本です。

コ 正反応が進んで、硫化水素が増加すると、2H2S+SO→3S+HOという反応が起こるから。

東大らしい、知ってる基礎的な知識から考えさせる問題ですね。硫化水素が何なのかを考えてみましょう。硫化水素は有名な還元剤です。酸化剤と反応すると、硫黄が生じるということまでは、思いつくでしょう。よって、酸化剤を探せばいいのです。ヒントとして、火山ガスの組成が与えられているので、それを確認してみましょう。モル分率が大きいものほど、反応がしやすいのは理解できると思います。後は、モル分率が大きい物から、今回の反応に適切な酸化剤を選びましょう。

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