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問1の答　　　　　　　　Cr₂O₇^2- + 2OH^- ⇄ 2CrO₄^2- + H₂O


●　二クロム酸カリウム K₂Cr₂O₇ 水溶液は, 電離して赤橙色の二クロム酸イオン Cr₂O₇^2- を生じる。

●　水溶液中の二クロム酸イオン Cr₂O₇^2- は塩基性の OH^- と反応して黄色を示すクロム酸イオン CrO₄^2- を生じる。

●　この反応は可逆反応である。

●　左辺の原子と負電荷の数と右辺の原子と負電荷の数は等しい。


問2の答　　　アセトン CH₃COCH₃ の構造式 ： 下図参照

　　　　　　　　　　　　　　　　　　(image568)

●　硫酸酸性二クロム酸カリウム中の二クロム酸イオン Cr₂O₇^2- は, 次のように酸化作用を示し還元される。すなわち, 電子授受に注目すると, 電子 e^- を 2-プロパノールから受取ってクロムイオン(III) Cr³⁺ を生じる。


　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Cr₂O₇^2- + 14H⁺ + 6e^- → 2Cr³⁺ + 7H₂O　…(i)

●　相手の2-プロパノール CH₃CH(OH)CH₃ は, 次のように還元作用を示し酸化される。すなわち, 電子授受に注目すると, 電子 e^- を二クロム酸イオン Cr₂O₇^2- に与えてアセトン CH₃COCH₃ を生じる。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　CH₃CH(OH)CH₃ → CH₃COCH₃ + 2H⁺ + 2e^-　…(ii)

●　(i)と(ii)を使用して, 硫酸酸性二クロム酸カリウムと 2-プロパノールの反応を 1つの式で表わす。そこで, 電子授受を消去するために, 1×(i) + 3×(ii) を考慮し,

　　　1×(Cr₂O₇^2- + 14H⁺ + 6e^-) + 3×(CH₃CH(OH)CH₃) → 1×(2Cr³⁺ + 7H₂O) + 3×(CH₃COCH₃ + 2H⁺ + 2e^-)

　整理すると,

　　　　　　　　　　　　　Cr₂O₇^2- + 8H⁺ + 3CH₃CH(OH)CH₃ → 2Cr³⁺ + 7H₂O + 3CH₃COCH₃

　K⁺ と SO₄^2- を考慮すると,

　　　　　　　　　K₂Cr₂O₇ + 4H₂SO₄ + 3CH₃CH(OH)CH₃ → Cr₂(SO₄)₃ + 7H₂O + 3CH₃COCH₃ + K₂SO₄

　よって,

　　　　　　　　　K₂Cr₂O₇ + 4H₂SO₄ + 3CH₃CH(OH)CH₃ → Cr₂(SO₄)₃ + 3CH₃COCH₃ + K₂SO₄ + 7H₂O


問3の答　　　　0.086 mol・L^-1

　二クロム酸カリウムと 2-プロパノールの酸化還元の反応式は次のようになる。

　　　　K₂Cr₂O₇ + 4H₂SO₄ + 3CH₃CH(OH)CH₃ → Cr₂(SO₄)₃ + 3CH₃COCH₃ + K₂SO₄ + 7H₂O

　実験1において, 0.30 g の生成物アセトンの物質量は, その分子量が 3×12.0 + 6×1.0 + 1×16.0 = 58.0 から,

　　　　　　　　　　　　　　　　アセトンの物質量 = 0.30/58 = 0.00517 mol

　そこで, 上の反応式において, 1mol の二クロム酸カリウム K₂Cr₂O₇ から 3mol の アセトン CH₃COCH₃ が生成するので, 反応した二クロム酸カリウムの物質量は

　　　　　　　　　　二クロム酸カリウムの物質量 = (1/3)×0.00517 mol = 0.00172 mol

　したがって, 二クロム酸カリウムの濃度を X mol・L^-1 とすると次式が成立する。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 X×(2.0/1000) = 0.00172

　よって,

　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　X = 0.00172×(1000/2.0) = 0.086


問4の答　　　　98 kJ/mol


●　過酸化水素 H₂O₂水は, 粉末の酸化マンガン(IV) MnO₂ を少量加えると, 次の反応式のように分解して気体の酸素 O₂ を発生する。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2H₂O₂ → 2H₂O + O₂

　ここで, 酸化マンガン(IV) MnO₂ は触媒として作用しているので, 上述の反応は速くなるが, 反応後と反応前のエネルギー差は変化しない。したがって, 反応熱は, 酸化マンガン(IV) MnO₂の存在には関係なく同じ値を示す。また, 生成物も同じである。


問5の答　　　[化学式]　H₂S　　　 [特徴]　(1), (3)


●　硫化鉄(II) FeS が希硫酸 H₂SO₄ と反応すると, 腐卵臭の硫化水素 H₂S の気体が発生する。その反応式は次のように書かれる。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　FeS + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂S

　ここで, 気体生成物の硫化水素 H₂S の分子量は, 2×1.0 + 1×32.1 = 34.1 で, 空気の平均分子量 28.8 と比較すると大きいので, 気体の硫化水素 H₂S は空気より重い。


●　発生した硫化水素は, １部, 水に溶解し, 次のように水素イオン H⁺ (酸性を示す) と硫化物イオン S^2- に電離し, 可逆反応で平衡状態を保持する。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　H₂S ⇄ 2H⁺ + S^2-


問6の答

　還元性の分子状H₂Sが溶けている水溶液では, 酸化剤のKMnO₄を加えると, H₂SとFe²⁺ の2つの酸化還元反応が生じたためである。


問7の答　　　　96%

　FeSとH₂SO₄の反応式は, FeS + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂S　…(i)　生成したFeSO₄と硫酸酸性KMnO₄との反応式は, 2KMnO₄ + 8H₂SO₄ + 10FeSO₄ → 2MnSO₄ + 5Fe₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + 8H₂O　…(ii)

　KMnO₄ 1.6 g の物質量は, 式量が KMnO₄ = 39.1 + 54.9 + 4×16.0 = 158 から, 1.6/158 = 0.0101 mol (有効数字3桁).　そこで, KMnO₄の濃度は, (0.0101mol)×(1000ml/25ml) = 0.404 mol/L

　濃度 0.404 mol/L のKMnO₄の滴下で, 反応したKMnO₄の物質量は, (0.404 mol/L)×(5.4ml/1000ml) = 0.00218 mol (有効数字3桁)

　(ii)式から, 1mol のKMnO₄は 5mol の硫酸鉄(II)と反応するので, 0.00218 mol のKMnO₄と反応するFeSO₄(II)の物質量は, 0.00218 mol×(5mol/1mol) = 0.0109 mol

　この値は, (i)式と(ii)式を参照すると, 反応するFeSの物質量に等しい。そのFeSの質量は, 式量が FeS = 55.8 + 32.1 = 87.9 であるので, FeSの質量 = (0.0109 mol)×(87.9 g/mol) = 0.96 g. よって, FeSの純度は

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(0.96g/1g)×100 = 96%


●　硫酸酸性過マンガン酸カリウム中の過マンガン酸イオン MnO₄^- は, 次のように酸化作用を示し還元される。すなわち, 電子授受に注目すると, 電子 e^- を Fe²⁺ から受取って Mn²⁺ を生じる。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　MnO₄^- + 8H⁺ + 5e^- → Mn²⁺ + 4H₂O　…(i)

●　相手のFe²⁺ は, 次のように還元作用を示し酸化される。すなわち, 電子授受に注目すると, 電子 e^- を 過マンガン酸イオン MnO₄^- に与えて Fe³⁺ を生じる。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Fe²⁺ → Fe³⁺ + e^-　…(ii)

●　(i)と(ii)を使用して, 硫酸酸性過マンガン酸カリウムと 硫酸鉄(II) の反応を 1つの式で表わす。そこで, 電子授受を消去するために, 1×(i) + 5×(ii) を考慮し,

　　　　　　　　　 　1×(MnO₄^- + 8H⁺ + 5e^-) + 5×(Fe²⁺) → 1×(Mn²⁺ + 4H₂O) + 5×(Fe³⁺ + e^-)

　整理すると,

　　　　　　　　　　　　　　　　　　MnO₄^- + 8H⁺ + 5Fe²⁺ → Mn²⁺ + 5Fe³⁺ + 4H₂O

　K⁺ と SO₄^2- を考慮すると,

　　　　　　　　　KMnO₄ + 4H₂SO₄ + 5FeSO₄ → MnSO₄ + (5/2)Fe₂(SO₄)₃ + 4H₂O + (1/2)K₂SO₄

　よって,

　　　　　　　　　　　2KMnO₄ + 8H₂SO₄ + 10FeSO₄ → 2MnSO₄ + 5Fe₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + 8H₂O

●　硫化鉄(II)と硫酸は次のように反応する。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　FeS + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂S　…(i)

●　硫酸酸性過マンガン酸カリウムと硫酸鉄(II)との反応式は, 上述のように,

　　　　　　　　2KMnO₄ + 8H₂SO₄ + 10FeSO₄ → 2MnSO₄ + 5Fe₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + 8H₂O　…(ii)

●　過マンガン酸カリウム 1.6 g の物質量は, 式量が KMnO₄ = 39.1 + 54.9 + 4×16.0 = 158 から,

　　　　　　　　　　　　　過マンガン酸カリウムの物質量 = 1.6/158 = 0.0101 mol (有効数字3桁)

　そこで, 過マンガン酸カリウムの濃度は

　　　　　　　　　　　過マンガン酸カリウムの濃度 = (0.0101mol)×(1000ml/25ml) = 0.404 mol/L

●　濃度 0.404 mol/L の過マンガン酸カリウム水溶液 5.4 ml 滴下で終点に達したので, 反応した過マンガン酸カリウムの物質量は

　　　　　　　　　　　　　　　　　(0.404 mol/L)×(5.4ml/1000ml) = 0.00218 mol (有効数字3桁)

●　(ii)式から, 1mol の過マンガン酸カリウムは 5mol の硫酸鉄(II)と反応するので, 0.00218 mol の過マンガン酸カリウムと反応する硫酸鉄(II)の物質量は

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　0.00218 mol×(5mol/1mol) = 0.0109 mol

　この値は, (i)式と(ii)式を参照すると, 反応する硫化鉄(II)の物質量に等しい。その硫化鉄(II)の質量は, 式量が FeS = 55.8 + 32.1 = 87.9 であるので

　　　　　　　　 　　　　　硫化鉄(II)の質量 = (0.0109 mol)×(87.9 g/mol) = 0.96 g

　よって, 硫化鉄(II)の純度は

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(0.96g/1g)×100 = 96%