大問Ⅲ　同位体と元素分析・重水素置換トルエンの異性体有機化学・難易度 やや難　

30 ④（同位体）

　原子番号（陽子数）が同じで中性子の数が異なるために質量数が異なる原子どうしの関係を同位体という。

　同素体は同じ元素からできた性質の異なる単体どうしの関係であり，原子どうしの関係ではないので誤りである。

31 ①（1），32 ①（1），33 ①（1）

　重水素は水素の同位体なので原子番号は 1 であり，陽子は 1 個である。

　質量数が 2 なので中性子は 2−1＝1 個である。原子全体は電気的に中性だから，電子の数は陽子と同じ 1 個である。

34 ⑦（7），35 ⑥（6），36 ②（2）

　二酸化炭素 231 mg に含まれる炭素は 231×(12.0÷44.0)＝63.0 mg である。化合物は C，H，D だけからなるので，H と D の質量の合計は 70.5−63.0＝7.5 mg となる。

　H の質量を a mg，D の質量を b mg とすると a＋b＝7.5 であり，物質量の比が H : D＝3 : 1 だから a÷1.00 : b÷2.00＝3 : 1，すなわち a＝1.50b である。これを解くと a＝4.5 mg，b＝3.0 mg となる。

　原子数の比は C : H : D＝(63.0÷12.0) : (4.5÷1.00) : (3.0÷2.00)＝5.25 : 4.5 : 1.5＝7 : 6 : 2 なので，組成式は C₇H₆D₂ である。

37 ⓪（10）

　組成式 C₇H₆D₂ の式量は 12.0×7＋1.00×6＋2.00×2＝94 で，与えられた分子量 94 と一致するから分子式も C₇H₆D₂ である。これはトルエン C₇H₈ の水素 2 個を D で置き換えたものにあたる。

　D を置く位置は，メチル基の 3 個（互いに同等）と，ベンゼン環のオルト位 2 個・メタ位 2 個・パラ位 1 個である。メチル基に D が 2 個の場合が 1 種類，メチル基に 1 個・環に 1 個の場合は環の位置がオルト・メタ・パラの 3 種類，環に 2 個の場合は 2 置換体の位置関係が 2,3／2,4／2,5／2,6／3,4／3,5 の 6 種類である。

　したがって 1＋3＋6＝10 種類となる。

38 ①（1）

　過マンガン酸カリウムによる酸化では側鎖のメチル基がカルボキシ基に変わり，カリウム塩として安息香酸カリウムが生じる。このとき側鎖の H や D は失われ，ベンゼン環に結合した H や D はそのまま残る。

　したがって生成物が D を含まないのは，ベンゼン環に D がなく，D が 2 個とも側鎖にある場合だけである。これは 1 種類である。

39 ③（3）

　生成物に D が 1 原子だけ含まれるのは，ベンゼン環に D が 1 個だけある場合である。D は全部で 2 個なので，残り 1 個は側鎖のメチル基にあることになる。

　環の D の位置はオルト・メタ・パラの 3 通りなので，3 種類である。

40 ⓒ（122），41 ②（安息香酸）

　下線部① のカリウム塩は D を含まない安息香酸カリウム C₆H₅COOK である。これに塩酸を加えると，より強い酸である塩酸によって弱酸の安息香酸が遊離する。

　遊離するのは C₆H₅COOH で，溶媒には重水素が含まれないので新たに加わる H も通常の水素である。

　分子量は 12.0×7＋1.00×6＋16.0×2＝84＋6＋32＝122 である。