EJU - Examination for Japanese University Chemistry: Atomic Structure and Bonding Questions and Answers — Questions and Answers

Question 1: 原子番号17の塩素（Cl）原子の基底状態における電子配置として、最も適切なものはどれか。

K(2)L(8)M(8)
K(2)L(7)M(8)
K(2)L(8)M(7) (Correct answer)
K(2)L(8)M(6)

Correct answer: K(2)L(8)M(7)

塩素の原子番号は17であり、これは原子核に17個の陽子と、中性原子に17個の電子があることを意味します。電子はエネルギー準位の低い電子殻から順に満たされていきます。K殻には最大2個、L殻には最大8個の電子が収容されます。したがって、最初の2つの殻に合計10個の電子が入った後、残りの7個の電子がM殻に入ります。よって、塩素の電子配置はK(2)L(8)M(7)となります。

Question 2: 次の元素のうち、第一イオン化エネルギーが最も大きいものはどれか。

リチウム (Li)
ナトリウム (Na)
カリウム (K)
ヘリウム (He) (Correct answer)

Correct answer: ヘリウム (He)

第一イオン化エネルギーは、原子から電子を1個取り去るのに必要なエネルギーです。周期表において、第一イオン化エネルギーは一般に周期の右に行くほど、また族の上に行くほど大きくなる傾向があります。ヘリウム(He)は周期表の最も右上に位置する希ガス元素であり、非常に安定した電子配置を持つため、電子を取り去るのが極めて困難です。したがって、リストされた元素の中で第一イオン化エネルギーが最も大きくなります。

Question 3: 以下の化合物のうち、主にイオン結合によって形成されているものはどれか。

水 (H₂O)
塩化カリウム (KCl) (Correct answer)
メタン (CH₄)
二酸化炭素 (CO₂)

Correct answer: 塩化カリウム (KCl)

イオン結合は、主に金属元素と非金属元素の間で形成されます。この結合では、金属原子が電子を失って陽イオンになり、非金属原子が電子を受け取って陰イオンになります。この陽イオンと陰イオンの間の静電気的な引力によって結合が形成されます。選択肢の中で、塩化カリウム(KCl)は金属であるカリウム(K)と非金属である塩素(Cl)から構成されているため、イオン結合性の化合物です。他の選択肢はすべて非金属元素同士の共有結合によって形成されています。

Question 4: 同位体である ³⁵Cl と ³⁷Cl の関係について、正しい記述はどれか。

陽子の数は同じだが、中性子の数が異なる。 (Correct answer)
中性子の数は同じだが、陽子の数が異なる。
陽子の数は同じだが、化学的性質が大きく異なる。
陽子と中性子の両方の数が異なる。

Correct answer: 陽子の数は同じだが、中性子の数が異なる。

同位体（アイソトープ）とは、原子番号（陽子の数）が同じで、質量数（陽子の数と中性子の数の合計）が異なる原子同士の関係を指します。³⁵Cl と ³⁷Cl はどちらも塩素原子なので、陽子の数は同じ17個です。しかし、質量数が35と37で異なるため、中性子の数が異なります（³⁵Clは18個、³⁷Clは20個）。

Question 5: VSEPR理論（原子価殻電子対反発則）に基づくと、メタン（CH₄）分子の立体構造は何か。

直線形
平面三角形
三角錐形
正四面体形 (Correct answer)

Correct answer: 正四面体形

メタン（CH₄）分子では、中心の炭素原子が4つの水素原子と単結合を形成しています。これにより、炭素原子の周りには4対の共有電子対が存在します。VSEPR理論によると、これらの電子対は互いに反発し、空間的に最も離れた位置に配置されます。4つの電子対が最も離れることができる配置は正四面体構造であり、結合角は約109.5度になります。

Question 6: 次の物質のうち、分子間に水素結合を形成するのはどれか。

メタン (CH₄)
フッ化水素 (HF) (Correct answer)
硫化水素 (H₂S)
塩化水素 (HCl)

Correct answer: フッ化水素 (HF)

水素結合は、電気陰性度の非常に大きい原子（フッ素F、酸素O、窒素N）に直接結合した水素原子が、近くにある別の分子のF、O、N原子との間に生じる強い分子間力です。選択肢の中で、フッ化水素（HF）は水素原子が電気陰性度の最も大きいフッ素原子に結合しているため、分子間で強い水素結合を形成します。これにより、HFは分子量が近い他のハロゲン化水素（HClなど）に比べて異常に高い沸点を持ちます。

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原子番号17の塩素（Cl）原子の基底状態における電子配置として、最も適切なものはどれか。