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東京大学2015年前期化学第1問I
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解説


お久しぶりです。そして特に面白くはない問題です。エだけ少し悩むかもな感じです。オも難しいといえば難しいのかもしれませんが,そこら中で見る問題のため解けてほしいです。


a:ファンデルワールス b:二 c:180 d:分子量
ファンデルワールス力は主に一時的な電子分布の偏りによる静電気力のことで,距離の7乗に反比例する力です。分子量が大きくなると電子の数も大きくなり,また分子の体積自体が大きくなるため,偏りが生じやすくなるので強くなります。また,表面積が大きくなったり,分子同士が重なりやすい場合には強く作用します。

二酸化炭素の構造は厳密な手法ではありませんが,電子の反発で考えることができます。電子式にすると次のようになるので,Cには電子の塊が2方向にあります。これらが反発しあうので,最も離れた配置となる直線型が安定になります。一般には結合と非共有電子対,不対電子が互いに反発するとして考え,反発の強さは非共有電子対>共有電子対となり(非共有電子対は一つの原子に近いところに分布しているためです),反発の強さを考慮すれば,水の結合角が正四面体構造より小さくなることも説明可能です。
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ついでにCOの極性については電子式を書いてみると,Cが+に大きく電荷を帯びないことがわかります。
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まあ実際にはこれがメインってだけで共鳴構造として別の構造もとっているみたいですけど。

イ -78℃ , 5.1×105Pa
1.0×105Paのまま温度を上げていき,個体から気体に変化する温度を見てやります。多分-78℃です。

次に,圧力一定で液体になる部分ができるのは3重点の上なので,読み取ると 5.1×105Paです。

ウ 1.3g
気液の境界と同様に,気固の境界も蒸気圧曲線であることに注意しましょう。これ系は全部気体になるか,一部が残るかですが,聞かれ方的に一部残るっぽいので,気体になった二酸化炭素のモルを直接計算します。そして,もともとあった2.7gから引いてやります。
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エ -70℃ ,2.8×105Pa
温度が上がると蒸気圧も大きくなってしまうので困ったものです。全部気体になっているとすると,モルは2.7/44molであり,状態方程式より,
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となりこれを描いて蒸気圧曲線との交点を出してやればいいです。実際のところは-73℃とか-63℃あたりを計算して直線で結べばいいです。それぞれ2.04×105Paと2.14×105Paとなるので,大体-70℃だとグラフからわかります。

0℃になったときはすべて気化しているので,さっきの直線の式にT=273を入れて終了です。2.8×105Paとなります。

オ 1.2×105Pa ,2.3×10-2mol
これ系問題は水に溶ける分を気体だとして捉えると楽です。なので,体積一定というヘンリーの法則で行きたいので,0℃のときに0.25Lの水に何Lの二酸化炭素が解けるか計算してしまいます。1.0×105Paで0.25Lには0.08÷4=0.02mol解けるので,状態方程式より,
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となります。したがって,全体の体積を0.5+0.25+0.453≒1.20Lとできるので,エの答えを利用して,
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なお,分子量だけでいいなら圧力を出さなくとも体積比で計算できます。

【別解答】
モル数一定で式を立てるのも定石です。
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