今日は、身の回りの化学(用途・材料) 14族元素編についてです。
センター試験は特に時間が勝負なので、あるキーワードに対していくつかの関連用語が条件反射的にイメージできるようになることが重要です。
そこで、用途や材料に関するテーマで
入試問題をデータベースソフトで徹底的に調べ上げ、「用途・材料のキーワード」に対する条件反射的に思い浮かべてほしい「物質」をまとめました。
周期表の14族に属する元素には、炭素C、ケイ素Si、ゲルマニウムGe、スズSn、鉛Pbがあります。これらはすべて典型元素ですが、C、Siは非金属元素、Ge、Sn、Pbは金属元素に分類されます。
今日は、非金属元素である炭素C、ケイ素Siに関する物質について取り上げます。
宝石、研磨剤、切削工具……ダイヤモンドC
※ダイヤモンドが研磨剤や切削工具として用いられるのは、天然の物質の中で最も硬いことから。
電極や鉛筆の芯……黒鉛C
※黒鉛が鉛筆の芯として用いられるのは、正六角形の網目状に結合した平面構造の層間は結合力が弱い分子間力によって結合し、層状にはがれやすいため。
出土品などの年代測定……質量数14の炭素の同位体
冷却材……ドライアイス(固体の二酸化炭素)CO2
半導体の材料、IC(集積回路)、太陽電池、エレクトロニクス分野の材料……高純度のケイ素Siの単体
水晶・石英・ケイ砂・陶磁器・セメントの主成分、ケイ酸塩ガラスの主成分として窓ガラスや試験管やフラスコなどの実験器具……二酸化ケイ素SiO2
※二酸化ケイ素は、融点が高く塩酸などの強酸にも侵されないので、試験管やフラスコなどの実験器具やガラスなどに用いられます。
※透明な石英を水晶とよび、砂状の石英をけい砂とよびます。
※ガラスの主成分は、二酸化ケイ素で、ソーダ石灰ガラスは普通のガラスのことで、ナトリウム(Sodium)と石灰石を含むのでソーダ石灰ガラスとよばれます。
乾燥剤、吸着剤……シリカゲル
※シリカゲルには、すきまが多く親水基のヒドロキシ基-OHをもつので、水分などを吸収(H2OやNH3と水素結合を形成)しやすいため乾燥剤、吸着剤として用いられます。
以下は、用途・材料に関して出題された問題です。
■2012 和歌山大学 教育
炭素とケイ素は，周期表の (A) 族に属する元素である。自然界に存在する炭素原子の約99％は，質量数 (B) の同位体である。それゆえ，炭素が燃えて生成する二酸化炭素の分子中に含まれる炭素の，約100個に1個は質量数 (C) の炭素の同位体である。炭素にはまた，ごく微量ながら，質量数 (A) の (D) 性同位体が存在し，出土品などの年代測定に利用されている。
ダイヤモンドと黒鉛は互いに炭素の (E) である。黒鉛は (F) の伝導性が良く，ダイヤモンドは (G) の伝導性が大変良い。
一酸化炭素は，工業的には，赤熱したコークスに水蒸気を送ってつくる。または，天然ガス中の (H) と水を高圧で反応させても，同様の生成物の混合したガスが得られる。このような混合ガスを適当な触媒を用いて高温高圧で反応させると (I) が得られる。
製鉄所の溶鉱炉でコークスから発生させた一酸化炭素は，鉄鉱石に含まれる酸化鉄を (J) して銑鉄を得るのに使われる。
二酸化炭素は，実験室では，炭酸カルシウムに塩酸を反応させてつくる。また，二酸化炭素は水に溶けて弱い酸性を示す。
固体状態の二酸化炭素は (K) と呼ばれている。 (K) は二酸化炭素が規則正しく配列してできた (L) であり，1.01×105Paのもとでは－78.5℃で (M) する。5.15×105Pa，－56.3℃に二酸化炭素の (N) が存在し，臨界点が73.5×105Pa，31.1℃にあるので，室温20℃で適当な圧力を加えれば， (O) 状態を見ることができる。
ケイ素は岩石や土壌を構成している成分元素として，地殻中に (P) に次いで多量に存在する。単体は，例えばケイ砂を電気炉中で (Q) し，コークスを用いて (J) してつくる。単体は (R) 結合の結晶で，電気伝導性は (S) の性質を示す。そのため，高純度の単体はICや (T) 電池などのエレクトロニクス分野の材料として広く用いられている。
問1 空欄(A)から(T)にあてはまる適切な言葉，数字，物質の名称を記入しなさい。ただし，空欄(H)は化学式も答えなさい。
答え……
問1
(A) 14 (B) 12 (C) 13
(D) 放射 (E) 同素体 (F) 電気
(G) 熱 (H) メタン，CH4 (I) メタノール
(J) 還元 (K) ドライアイス (L) 分子結晶
(M) 昇華 (N) 三重点 (O) 液体
(P) 酸素 (Q) 融解 [溶融] (R) 共有
(S) 半導体 (T) 太陽
■ 2009 長崎大学 医 教育 工 歯 水産 薬 環境科
近年，石油や石炭などの化石燃料の使用量が増大する一方，二酸化炭素の吸収源である森林の伐採などが進行している。その結果，大気中の二酸化炭素の濃度が増加し続け，地球温暖化を後押ししている。緊急の課題として，大気中の二酸化炭素の濃度を低減する方策が各方面から検討されている。
①二酸化炭素を水酸化カルシウム水溶液に通じると白色沈殿を生じる。さらに，この水溶液に二酸化炭素を通じると白色沈殿は溶解する。これらの方法により二酸化炭素を固体や水溶液として固定することができる。また，二酸化炭素は，二酸化炭素自身の温度を下げたり，ある温度以下で加圧する②固体になる。この方法により二酸化炭素の体積を約八百分の一に減少させることができる。
問1 下線部①の白色沈殿を主成分とした鉱物について，次の(か)～(そ)の中から該当するものを2つ選び，記号で答えよ。
(か) 石灰石 (き) セッコウ (く) ケイ砂 (け) 大理石
(こ) ホタル石 (さ) 赤鉄鉱 (し) ダイヤモンド (す) 黄銅鉱
(せ) 水 晶 (そ) ボーキサイト
問2 下線部②の物質に関して，次の(た)～(と)の中から正しいものを2つ選び，記号で答えよ。
(た) この物質の電気伝導性は金属の銅と同程度である。
(ち) この物質は昇華性がある。
(つ) この物質は冷却剤として用いられる。
(て) この物質はイオン結晶である。
(と) この物質は可燃性である。
答え……
問1 (か)，(け)
問2 (ち)，(つ)
■2012 東北大学 理
(Ⅰ) 周期表の14族に属する炭素とケイ素は身近にある元素である。炭素の単体は，天然にダイヤモンドや黒鉛の形で存在する。一方，ケイ素の単体は天然には存在せず，二酸化ケイ素を還元して作られる。高純度のケイ素の結晶は，電気をわずかに通すため， ア として太陽電池や電子部品の材料に利用されている。
炭素とケイ素の酸化物も身近に使われている。固体の二酸化炭素は，気圧1.013×105Paのもとで－78.5℃で イ して気体になる性質を利用して，冷却剤として利用されている。二酸化ケイ素は，ケイ酸塩ガラスの主成分として窓ガラスやびんなどに利用されている。二酸化ケイ素を水酸化ナトリウムとともに加熱して得られる物質に，水を加えて加熱すると無色透明で粘性の大きな ウ が得られる。
問1 ア から ウ に入る適切な語句を書け。
問2 炭素とケイ素はいずれも14族に属するが，その酸化物の性質は大きく異なる。二酸化炭素は常温で気体であるのに対し，石英の融点は高く，常温では固体である。石英の融点が高い理由を20字以内で述べよ。
答え……
問1
ア 半導体
イ 昇華
ウ 水ガラス
問2 共有結合でつながった結晶だから。
■2009 北見工業大学 工
炭素の単体には，原子間を結びつける力の種類や原子の並び方の違いによって異なる性質を示す ア が存在する。たとえば，ダイヤモンドは1個の炭素原子に4個の炭素原子が イ 面体状に結合し，次々に連なった結晶である。多数の炭素原子が ウ 結合だけで結びついているため，融点が非常に高い。立方体の単位格子に含まれる原子の数は8個である。また，黒鉛は炭素原子の4個の価電子のうち エ 個が他の炭素原子と ウ 結合し，正六角形の網の目からなる層をつくる。したがって，1つの炭素原子に最も近い炭素原子は エ 個である。この層と層の間には弱い オ 力が働いているため，黒鉛は軟らかく，薄片にはがれる。
問１ 文中の空欄 ア ～ オ にあてはまる適当な語句あるいは数値を入れなさい。
問２ 以下の文章(ｱ)～(ｵ)の中で，ダイヤモンド(A)と黒鉛(B)の用途として最も適当なものをそれぞれ一つ選びなさい。
(ｱ) 宝石や切削工具に用いられる。
(ｲ) コンピュータの集積回路部品や太陽電池に用いられる。
(ｳ) 電極や鉛筆の芯に用いられる。
(ｴ) 時計の発信器に用いられる。
(ｵ) 粉末は歯磨き粉や顔料，チョークに用いられる。
答え……
問１
ア 同素体
イ 正四
ウ 共有エ 3
オ 分子間
問２
(A) (ｱ)
(B) (ｳ)
■2013 岡山大学 教育 理 医 歯 薬 工 環境理工 農
ケイ砂の粉末を炭酸ナトリウムと共に加熱融解すると，ケイ酸ナトリウムが得られ，これに酸を加えると，ケイ酸が水を大量に含んだ白色のゲルを生じる。これを脱水・乾燥させたものがシリカゲルであり，水蒸気をよく吸着するため，乾燥剤として用いられる。
問 シリカゲルが水蒸気をよく吸着する理由を述べよ。
答え……
多孔質で表面積が大きく，表面に親水性のヒドロキシ基をもつため。
■2009 早稲田大学 教育
周期表の同じ族に属する元素を同族元素という。アルカリ金属，アルカリ土類金属などがその例である。同じ元素からなる単体で性質の異なる物質どうしを互いに同素体という。また，同じ元素で質量数の異なる原子どうしを互いに同位体という。同位体には原子核が不安定で放射線を出して壊れていくものもある。それを放射性同位体という。
問 炭素の同位体には放射性をもつものがあり，年代測定に用いられる。この放射性同位体の中性子数を書け。
答え……
8
■2012 立教大学 理
1．次の記述のうち，その内容が正しいものはどれか。
a．ケイ素は地殻中に最も多く含まれる元素である。
b．ケイ素は炭素と同族であるが，ケイ素の単体の結晶はダイヤモンドと異なる構造をしている。
c．二酸化ケイ素の結晶は，軟らかく融点が低い。
d．二酸化ケイ素は，半導体として用いられる。
e．乾燥剤として知られるシリカゲルはケイ酸を加熱脱水したものからつくられる。
答え……
1．e
■2012 日本大学 医
問 ケイ素とその化合物について次の文で誤りを含むのは?
① ケイ素は二酸化ケイ素やケイ酸塩として岩石や土壌を構成し，地殻中で酸素の次に多く存在する元素である。
② 二酸化ケイ素の結晶は共有結合の結晶で，無色透明である。
③ 水晶，石英，ケイ砂の主成分は，二酸化ケイ素である。
④ 水ガラスは二酸化ケイ素に水を加えて加熱したもので，粘性の高い透明な液体である。
⑤ 陶磁器やセメントなどのセラミックスは，ケイ酸塩を主成分とする粘土を高熱処理して作られる。
⑥ ケイ素の単体は自然界に存在しないが，ケイ砂を電気炉中で溶融し，炭素(コークス)を用いて還元すると得られる。
答え……
④
■2012 東京理科大学 基礎工
炭素の単体の固体の中でもっとも硬いものは (ｱ) であり， (ｱ) は1個の原子を中心に (a) 個の原子を (ｲ) の頂点に配し，さらにその頂点の原子を中心として (a) 個の原子を頂点に配した (ｲ) ができるように次々と原子が結合した結晶である。ケイ素の単体の固体にも同じ構造が見られる。両者は共に (ｳ) で原子同士が結合しているため，結合が極めて強くとても硬い。
炭素と酸素の化合物としては二酸化炭素がある。実験でよく用いる冷却剤には水，氷，ドライアイス，液体窒素などがあるが，これらのうち二酸化炭素の固体は (ｴ) で，5.11atmでの融点は－56.6℃である。常圧ではさらに低い温度で固体から直接気体に (ｵ) することが知られている。二酸化炭素分子では炭素原子と酸素原子が (ｶ) により強く結合している。この分子は極性の観点から (ｷ) 分子である。二酸化炭素の固体では分子が分子間力で引き合い，規則正しく配列する。このような固体を (ｸ) と呼ぶ。
ケイ素と酸素の化合物として知られる二酸化ケイ素の結晶は，ケイ素原子を中心として (b) 個の酸素原子を頂点とする (ｹ) が連なってできる三次元網目構造をもつ。この固体の組成式はSiO2と表され，1個のケイ素原子は (c) 個の酸素原子と結合し，酸素原子は (d) 個のケイ素原子と結合している。二酸化ケイ素を水酸化ナトリウムとともに加熱するとNa2SiO3の組成式をもつケイ酸ナトリウムを生じる。ケイ酸ナトリウムに水を加えて加熱すると (ｺ) と呼ばれる粘性の大きな透明な液体が得られる。これに塩酸を加えるとケイ酸の白色のゲル状沈殿が生じる。さらに加熱して (ｻ) すると (ｼ) が得られる。 (ｼ) は乾燥剤に用いられる。
(1) 文章中の (ｱ) ～ (ｼ) にあてはまる語句として最も適切なものを解答群より選び，その番号を解答用マークシートの指定された欄にマークしなさい。ただし，同じ番号を複数回選んでもよいものとする。
解答群
01 グラファイト02 ダイヤモンド03 フラーレン
04 正四面体 05 正六面体 06 正八面体
07 金属結合 08 イオン結合 09 共有結合
10 水 11 氷 12 ドライアイス
13 液体窒素 14 液体空気 15 蒸 発 16 凝 集
17 液 化18 昇 華 19 極 性 20 無極性
21 イオン結晶 22 分子結晶 23 金属結晶 24 共有結合の結晶
25 石英ガラス 26 水ガラス 27 ケイ砂 28 シリカゲル
29 酸 化 30 還 元 31 加水分解 32 電気分解 33 脱 水
(2) 文章中の (a) ～ (d) にあてはまる適切な数字を解答用マークシートの指定された欄にマークしなさい。
答え……
(1)
(ｱ) 02(ｲ) 04(ｳ) 09(ｴ) 12(ｵ) 18(ｶ) 09
(ｷ) 20(ｸ) 22(ｹ) 04(ｺ) 26(ｻ) 33(ｼ) 28
(2)
(a) 4(b) 4(c) 4(d) 2
(3)
(ｽ) 1(ｾ) 3(ｿ) ＋(ﾀ) 2
(ﾁ) 3(ﾂ) 0(ﾃ) ＋(ﾄ) 1
■2012 和歌山大学 教育 一部改
ケイ素は岩石や土壌を構成している成分元素として、地殻中に (P) に次いで多量に存在する。単体は、例えばケイ砂を電気炉中で (Q) し、コークスを用いて還元してつくる。単体は (R) 結合の結晶で、電気伝導性は (S) の性質を示す。そのため、高純度の単体はICや (T) 電池などのエレクトロニクス分野の材料として広く用いられている。
問1 空欄(P)から(T)にあてはまる適切な言葉、数字、物質の名称を記入しなさい。
答え……
問1
(P) 酸素
(Q) 融解 [溶融]
(R) 共有
(S) 半導体
(T) 太陽
■ 2012 和歌山大学 教育 一部改
炭素とケイ素は、周期表の (A) 族に属する元素である。自然界に存在する炭素原子の約99％は、質量数 (B) の同位体である。それゆえ、炭素が燃えて生成する二酸化炭素の分子中に含まれる炭素の、約100個に1個は質量数 (C) の炭素の同位体である。炭素にはまた、ごく微量ながら、質量数 (A) の (D) 性同位体が存在し、出土品などの年代測定に利用されている。
問1 空欄(A)から(D)にあてはまる適切な言葉、数字を記入しなさい。
答え……
問1
(A) 14
(B) 12
(C) 13
(D) 放射
■ 2013 大阪医科大学 一般 看護
高純度のケイ素の単体が原料として利用される例として正しいものはどれか。次のa～eのうちから一つ選びなさい。
a 染料 b 防腐剤 c 半導体 d 合成樹脂 e 建築材料
答え……
c 半導体
ケイ砂などからつくられるものの代表的な例として正しいものはどれか。次のa～eのうちから一つ選びなさい。
a 燃料 b 冷却材 c ジュラルミン d 合成洗剤 e ガラス
答え……
e ガラス
■2010 同志社大学 生命医科 文化情報
シリカゲルが吸着剤として利用される理由を、構造に着目して説明せよ。
答え…
シリカゲルは多孔質なので表面積が大きく、多くのヒドロキシ基を有しているので、水分や他の気体を吸着する力が強いため。
■ 2012 法政大学 デザイン工 理工 生命科
窓ガラスやガラス瓶などに用いられる普通のガラスはソーダ石灰ガラスと呼ばれ、ケイ砂と (ｱ) 、石灰を混合して融解したものである。ケイ砂の主成分は (ｲ) で、ソーダ石灰ガラスはSiとOとがつくる (A) 構造中に主に (a) イオンや (b) イオンが入った (B) の固体である。そのためソーダ石灰ガラスを粉末にして水に加えると、弱い (C) 性を示す。
ケイ砂とホウ砂を原料としてつくられる (D) ガラスは、ソーダ石灰ガラスよりかたく耐熱性と耐薬品に優れているので、試験管などの理化学器具に用いられている。さらに高純度の (ｲ) を高温で融解してつくられる (E) ガラスは光ファイバーの材料として用いられている。
また、ケイ砂をNaOHと高温で融解して得られる生成物に水を加えて熱すると水ガラスになる。これに (ｳ) を加えると半透明のコロイド状物質が生成し、さらに熱して脱水すると乾燥剤などに用いられるシリカゲルができる。
1．(ｱ)、(ｲ)には適切な化合物名、(ｳ)および(A)～(E)には適切な語句をそれぞれ記せ。また、(a)と(b)には適切なイオンをイオン式で、(a)には一価のイオン、(b)には二価のイオンを記せ。
答え…
1．
(ｱ) 炭酸ナトリウム
(ｲ) 二酸化ケイ素
(ｳ) 塩酸
(A) 正四面体
(B) 非晶質 [アモルファス]
(C) 塩基
(D) ホウケイ酸
(E) 石英
(a) Na＋
(b) Ca2＋
■2009 立命館大学 薬 理工
次の文章は表の中の元素について述べたものである。どの元素について述べたものか。
原子は価電子4個をもち、単体は共有結合の結晶を形成し、金属光沢がある。高純度の単体は半導体材料などに利用されている。地殻中に酸素に次いで多く存在する元素である。
答え…
Si
■ 2013 東京大学 教養
酸素の同素体であるオゾンは，成層圏で太陽からの紫外線を吸収し，地球表層の生物を紫外線の有害な作用から保護している。生物や化石燃料の主要構成元素である炭素の同位体のうち，質量数 a の同位体は，半減期(半分が放射壊変して別の同位体に変化するのに要する時間)が5730年の放射性同位体で，考古学試料などの年代測定に用いられている。大気中の二酸化炭素に含まれる放射性炭素の比率はほぼ一定であるが，④地球に到達する宇宙線強度の変化，化石燃料の使用，1945年以降の核実験の影響などによって変動してきた。窒素は空気の約8割を占め，アミノ酸をはじめとする多くの生体物質に含まれており，生命活動を支える重要な元素の1つである。
〔問〕
a にあてはまる数値を記せ。
答え…
14
■2012 大阪教育大学 教育１部
ダイヤモンドと黒鉛は、共に多数の炭素原子が共有結合によって結びついた結晶である。ダイヤモンドの結晶は無色で非常に硬く、宝石や研磨剤などに利用されている。一方、黒鉛は光沢のある灰黒色の結晶で、軟らかく電気をよく伝えるため、鉛筆の芯や電極などに使用されている。
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