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名古屋大学 理学研究科 化学系 2022年8月実施 物理化学

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Miyake

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題意の要約。各問で適切な選択肢を一つ選ぶ。

問題31​

半減期10分の一次反応で、20分後の反応物濃度は初濃度の何%か。 (A) 0、(B) 15、(C) 25、(D) 35、(E) 45。

問題32​

完全気体を温度・圧力一定で膨張させる。気体が受ける仕事 ww と熱 qq の符号を選ぶ。 (A) w=q=0w=q=0、(B) w>0,q>0w>0,q>0、(C) w>0,q<0w>0,q<0、(D) w<0,q>0w<0,q>0、(E) w<0,q<0w<0,q<0。

問題33​

同じ300 K・1 molの He と Ar の速さの分布を比較し、図の破線の He に対して Ar を表す曲線を選ぶ。

問題33の分布曲線と問題35の自由エネルギー曲線

問題34​

CH3D\mathrm{CH_3D} 結晶で C–D 結合の向きが無秩序な場合、0 K のモル残余エントロピーを選ぶ。RR は気体定数。 (A) Rln⁡1R\ln1、(B) Rln⁡(1/2)R\ln(1/2)、(C) Rln⁡2R\ln2、(D) Rln⁡3R\ln3、(E) Rln⁡4R\ln4。

問題35​

気相反応 A→B\mathrm A\to\mathrm B の ΔrG∘<0\Delta_rG^\circ<0 とする。混合の寄与を含めた G(ξ)G(\xi) を上図の(A)〜(E)から選ぶ。ξ=0\xi=0 は純 A、ξ=1\xi=1 は純 B に対応する。

問題36​

回転定数 BB の二原子分子について、温度 TT での NJ=4/NJ=0N_{J=4}/N_{J=0} を選ぶ。hh は Planck 定数、kk は Boltzmann 定数。 (A) 81e−4hB/(kT)81e^{-4hB/(kT)}、(B) 9e−4hB/(kT)9e^{-4hB/(kT)}、(C) e−20hB/(kT)e^{-20hB/(kT)}、(D) 9e−20hB/(kT)9e^{-20hB/(kT)}、(E) 81e−20hB/(kT)81e^{-20hB/(kT)}。

問題37​

dU=T dS−p dVdU=T\,dS-p\,dV と完全微分の混合偏微分の一致から、(∂T/∂V)S({\partial T}/{\partial V})_S に等しい式を選ぶ。

選択肢式
A−(∂S/∂p)T-({\partial S}/{\partial p})_T
B−(∂p/∂S)V-({\partial p}/{\partial S})_V
C(∂V/∂S)p({\partial V}/{\partial S})_p
D(∂S/∂V)T({\partial S}/{\partial V})_T
E(∂p/∂T)V({\partial p}/{\partial T})_V

問題38​

A^=i d/dx, B^=x\hat A=i\,d/dx,\ \hat B=x の交換子 [A^,B^][\hat A,\hat B] を選ぶ。 (A) 00、(B) 11、(C) ii、(D) −i-i、(E) i−ix d/dxi-ix\,d/dx。

問題39​

半径 rr の円周上を自由に動く電子の波動関数を ψ(θ)=Aeikθ\psi(\theta)=Ae^{ik\theta} とする。正しい記述を選ぶ。

(A) 周期条件は ψ(θ)=ψ(θ+π)\psi(\theta)=\psi(\theta+\pi)。

(B) 許される kk は非負整数のみ。

(C) 全エネルギー準位が二重に縮退する。

(D) 角運動量がゼロの状態はない。

(E) 規格化定数は A=1/2πA=1/\sqrt{2\pi}。

問題40​

試行関数 ϕ=c1f1+c2f2\phi=c_1f_1+c_2f_2 で H^\hat H の期待値を最小化する。 Hij=∫fi∗H^fj dτH_{ij}=\int f_i^*\hat Hf_j\,d\tau、Sij=∫fi∗fj dτS_{ij}=\int f_i^*f_j\,d\tau とし、

H=(533−3),S=I2.H=\begin{pmatrix}5&3\\3&-3\end{pmatrix},\qquad S=I_2.

最小値を選ぶ:(A) −6-6、(B) −4-4、(C) 00、(D) 44、(E) 66。

問題41​

直線分子 CO2\mathrm{CO_2} の対称伸縮 ν1\nu_1、変角 ν2\nu_2、逆対称伸縮 ν3\nu_3 について、赤外・Raman 活性なモードの組を選ぶ。

選択肢赤外活性Raman 活性
Aν1,ν2\nu_1,\nu_2ν3\nu_3
Bν2,ν3\nu_2,\nu_3ν1\nu_1
Cν3,ν1\nu_3,\nu_1ν2\nu_2
Dν1,ν2,ν3\nu_1,\nu_2,\nu_3ν1,ν2,ν3\nu_1,\nu_2,\nu_3
Eなしなし

問題42​

原子の電子構造に関する誤りを選ぶ。

(A) 主量子数 n≥1n\geq1 に対し、l=1,2,…,nl=1,2,\ldots,n、ml=l,l−1,…,−lm_l=l,l-1,\ldots,-l。

(B) 水素の発光の波数は ν~=RH(1/n12−1/n22)\tilde\nu=R_H(1/n_1^2-1/n_2^2)、n2>n1≥1n_2>n_1\geq1。

(C) 水素様原子の Hamiltonian の Coulomb 項では、水素の e2e^2 を Ze2Ze^2 に置き換える。

(D) 内殻電子による遮蔽で価電子に働く核の引力が弱まる。

(E) 中性原子から電子1個を除く最小エネルギーが第一イオン化エネルギーである。

問題43​

O2\mathrm{O_2} の基底状態について誤りを選ぶ。価電子配置は

(σg2s)2(σu2s)2(σg2pz)2(πu2px)2(πu2py)2(πg2px)1(πg2py)1.(\sigma_g2s)^2(\sigma_u2s)^2(\sigma_g2p_z)^2 (\pi_u2p_x)^2(\pi_u2p_y)^2(\pi_g2p_x)^1(\pi_g2p_y)^1.

(A) 三重項、(B) 常磁性、(C) O2−\mathrm{O_2^-} より結合が長い、(D) πg2px\pi_g2p_x と πg2py\pi_g2p_y は縮退、(E) 結合次数2。

問題44​

CO のマイクロ波吸収線は等間隔に並ぶ。その間隔と、そこから求められる量の組を選ぶ。ωe,ωexe,B\omega_e,\omega_ex_e,B はそれぞれ振動定数、非調和定数、回転定数。

(A) ωe\omega_e・力の定数、(B) ωe/2\omega_e/2・零点エネルギー、(C) ωexe\omega_ex_e・結合エネルギー、(D) 2B2B・核間距離、(E) BB・回転温度。

問題45​

1,3,5-ヘキサトリエンの6個の π\pi 電子を Hückel 法で扱い、LUMO を選ぶ。各炭素の pp 軌道の上側ローブの位相を、左から次の符号で表す(全符号の反転は同じ軌道)。

選択肢位相
A+,+,+,+,+,++,+,+,+,+,+
B+,−,+,−,+,−+,-,+,-,+,-
C+,+,−,−,+,++,+,-,-,+,+
D+,−,+,+,−,++,-,+,+,-,+
E+,−,−,+,+,−+,-,-,+,+,-

题目描述​

各题选择一个正确选项;注明“错误”的题目则选出错误叙述。

  1. 半衰期10分钟的一阶反应,20分钟后反应物浓度是初始值的百分之多少?选项为0%、15%、25%、35%、45%。
  2. 理想气体在恒温、恒定正外压下膨胀,判断气体所受功 ww 和输入热量 qq 的符号:两者为0、两者为正、w>0,q<0w>0,q<0、w<0,q>0w<0,q>0、两者为负。
  3. 对300 K、1 mol 的 He 和 Ar,比较速率分布;上图虚线为 He,从 A–E 中选择 Ar 的曲线。
  4. CH3D\mathrm{CH_3D} 晶体中 C–D 键的朝向完全无序,求0 K 时每摩尔残余熵。选项为 Rln⁡1,Rln⁡(1/2),Rln⁡2,Rln⁡3,Rln⁡4R\ln1,R\ln(1/2),R\ln2,R\ln3,R\ln4。
  5. 气相反应 A→B\mathrm A\to\mathrm B 的标准反应 Gibbs 能为负。考虑混合贡献,选择上图中正确的 G(ξ)G(\xi) 曲线;ξ=0\xi=0 为纯 A,ξ=1\xi=1 为纯 B。
  6. 双原子分子回转常数为 BB,求温度 TT 下 NJ=4/NJ=0N_{J=4}/N_{J=0}。选项为 81e−4hB/kT81e^{-4hB/kT}、9e−4hB/kT9e^{-4hB/kT}、e−20hB/kTe^{-20hB/kT}、9e−20hB/kT9e^{-20hB/kT}、81e−20hB/kT81e^{-20hB/kT}。
  7. 从 dU=T dS−p dVdU=T\,dS-p\,dV 和混合偏导数相等,选择与 (∂T/∂V)S(\partial T/\partial V)_S 相等的式子:−(∂S/∂p)T-(\partial S/\partial p)_T、−(∂p/∂S)V-(\partial p/\partial S)_V、(∂V/∂S)p(\partial V/\partial S)_p、(∂S/∂V)T(\partial S/\partial V)_T、(∂p/∂T)V(\partial p/\partial T)_V。
  8. 给定 A^=i d/dx,B^=x\hat A=i\,d/dx,\hat B=x,选择对易子 [A^,B^][\hat A,\hat B]:0,1,i,−i,i−ix d/dx0,1,i,-i,i-ix\,d/dx。
  9. 电子在半径 rr 的圆周自由运动,波函数为 AeikθAe^{ik\theta}。判断正确叙述:周期为 π\pi;kk 仅取非负整数;所有能级均二重简并;角动量不能为0;按角度积分归一化时 A=1/2πA=1/\sqrt{2\pi}。
  10. 试探态 ϕ=c1f1+c2f2\phi=c_1f_1+c_2f_2,Hamilton 矩阵为 (533−3)\begin{pmatrix}5&3\\3&-3\end{pmatrix},重叠矩阵为单位阵。求能量期望最小值,选项为 −6,−4,0,4,6-6,-4,0,4,6。
  11. 对直线分子 CO2\mathrm{CO_2} 的对称伸缩 ν1\nu_1、弯曲 ν2\nu_2、反对称伸缩 ν3\nu_3,选择上表中红外活性与 Raman 活性的正确组合。
  12. 选择电子结构叙述中的错误:主量子数 nn 对应 l=1,…,nl=1,\ldots,n;氢发射波数满足 Rydberg 公式;类氢原子 Coulomb 势中的 e2e^2 替换为 Ze2Ze^2;内层电子屏蔽削弱价电子所受核吸引;第一电离能是从中性原子移走一个电子所需的最小能量。
  13. 对上方所给 O2\mathrm{O_2} 基态价电子组态,选择错误叙述:三重态、顺磁性、键比 O2−\mathrm{O_2^-} 更长、两个 πg\pi_g 轨道简并、键级为2。
  14. CO 微波吸收线等间隔分布,选择间隔及可推得物理量的组合:ωe\omega_e 与力常数;ωe/2\omega_e/2 与零点能;ωexe\omega_ex_e 与键能;2B2B 与核间距;BB 与回转温度。
  15. 用 Hückel 方法处理1,3,5-己三烯的6个 π\pi 电子,选择最低未占轨道 LUMO。六个碳原子上侧 pp 轨道叶瓣的相位选项依次为 A:++++++,B:+-+-+-,C:++--++,D:+-++-+,E:+--++-;整体反号表示同一轨道。

Kai​

問題31​

(C)。一次反応では濃度比が 2−t/t1/22^{-t/t_{1/2}} なので、2−20/10=1/4=25%2^{-20/10}=1/4=25\%。

問題32​

(D)。一定の正の外圧 pextp_{\rm ext} に抗する膨張では w=−pextΔV<0w=-p_{\rm ext}\Delta V<0。完全気体の内部エネルギーは温度のみの関数であり、等温では ΔU=q+w=0\Delta U=q+w=0。したがって q=−w>0q=-w>0。

問題33​

(A)。Maxwell の速さ分布は

f(v)=4π(M2πRT)3/2v2e−Mv2/(2RT),vmp=2RTM.f(v)=4\pi\left(\frac{M}{2\pi RT}\right)^{3/2}v^2e^{-Mv^2/(2RT)},\qquad v_{\rm mp}=\sqrt{\frac{2RT}{M}}.

Ar のモル質量は He の約10倍なので、最確速さは約 1/101/\sqrt{10}、分布の高さは約 10\sqrt{10} 倍になる。同じ分子数なので曲線下面積は同じであり、低速側に狭く高いピークをもつ (A) が該当する。

問題34​

(E)。各分子の4本の結合のうち D が占める位置は4通り。NN 分子では W=4NW=4^N より、1 mol あたり S=kln⁡W=Rln⁡4S=k\ln W=R\ln4。

問題35​

(B)。理想混合では

G(ξ)=(1−ξ)GA∘+ξGB∘+RT[(1−ξ)ln⁡(1−ξ)+ξln⁡ξ].G(\xi)=(1-\xi)G_A^\circ+\xi G_B^\circ +RT\bigl[(1-\xi)\ln(1-\xi)+\xi\ln\xi\bigr].

G(1)−G(0)=ΔrG∘<0G(1)-G(0)=\Delta_rG^\circ<0 であり、0<ξ<10<\xi<1 では

G′(ξ)=ΔrG∘+RTln⁡ξ1−ξ,G′′(ξ)=RTξ(1−ξ)>0.G'(\xi)=\Delta_rG^\circ+RT\ln\frac{\xi}{1-\xi},\qquad G''(\xi)=\frac{RT}{\xi(1-\xi)}>0.

したがって下に凸で、最小点は ξ>1/2\xi>1/2 にある (B)。

問題36​

(D)。EJ=hBJ(J+1)E_J=hBJ(J+1)、縮退度 gJ=2J+1g_J=2J+1 より、

N4N0=91e−(20hB−0)/(kT).\frac{N_4}{N_0}=\frac{9}{1}e^{-(20hB-0)/(kT)}.

問題37​

(B)。T=(∂U/∂S)VT=(\partial U/\partial S)_V、−p=(∂U/∂V)S-p=(\partial U/\partial V)_S に混合偏微分の交換を適用すると、

(∂T∂V)S=−(∂p∂S)V.\left(\frac{\partial T}{\partial V}\right)_S =-\left(\frac{\partial p}{\partial S}\right)_V.

問題38​

(C)。任意の微分可能な ff に対して、

[A^,B^]f=iddx(xf)−ixf′=if.[\hat A,\hat B]f=i\frac{d}{dx}(xf)-ixf'=if.

問題39​

(E)。角度座標の規格化 ∫02π∣ψ(θ)∣2dθ=1\int_0^{2\pi}|\psi(\theta)|^2d\theta=1 を用いると、2π∣A∣2=12\pi|A|^2=1。全体位相を選んで A=1/2πA=1/\sqrt{2\pi} とできる。

周期は 2π2\pi で、e2πik=1e^{2\pi ik}=1 から k∈Zk\in\mathbb Z。エネルギーは ℏ2k2/(2mr2)\hbar^2k^2/(2mr^2) なので、k=0k=0 は非縮退、k≠0k\neq0 は ±k\pm k の二重縮退である。Lz=ℏkL_z=\hbar k にはゼロも含まれる。

問題40​

(B)。S=I2S=I_2 なので Rayleigh 商の最小値は HH の最小固有値である。

det⁡(H−EI)=(5−E)(−3−E)−9=(E+4)(E−6).\det(H-EI)=(5-E)(-3-E)-9=(E+4)(E-6).

したがって最小値は −4-4。例えば (c1,c2)=(1,−3)/10(c_1,c_2)=(1,-3)/\sqrt{10} で達成する。

問題41​

(B)。対称伸縮 ν1\nu_1 は分極率を変化させるので Raman 活性。変角 ν2\nu_2 と逆対称伸縮 ν3\nu_3 は双極子モーメントを変化させるので赤外活性である。反転中心をもつ CO₂ では、これらの基本振動の赤外活性と Raman 活性は相互排他的である。

問題42​

(A)。正しくは l=0,1,…,n−1l=0,1,\ldots,n-1。例えば n=1n=1 には l=0l=0 の 1s1s 軌道がある。

問題43​

(C)。O2\mathrm{O_2} の結合次数は (8−4)/2=2(8-4)/2=2。O2−\mathrm{O_2^-} は反結合性 πg\pi_g 軌道に電子が1個増えて結合次数 3/23/2 となり、結合は長くなる。したがって O2\mathrm{O_2} の方が短い。縮退した πg\pi_g 軌道の不対電子2個は Hund 則により三重項を形成し、常磁性を示す。

問題44​

(D)。剛体回転子の準位は EJ=hBJ(J+1)E_J=hBJ(J+1)。ΔJ=+1\Delta J=+1 の吸収周波数は νJ=2B(J+1)\nu_J=2B(J+1) で、隣り合う線の間隔は 2B2B。B=h/(8π2I)B=h/(8\pi^2I)、I=μre2I=\mu r_e^2 より核間距離 rer_e を求められる。

問題45​

(E)。6中心の直鎖では

Ej=α+2βcos⁡jπ7,ck(j)=27sin⁡jkπ7(j,k=1,…,6).E_j=\alpha+2\beta\cos\frac{j\pi}{7},\qquad c_k^{(j)}=\sqrt{\frac27}\sin\frac{jk\pi}{7} \quad(j,k=1,\ldots,6).

β<0\beta<0 では j=1,2,3j=1,2,3 の3軌道に6電子が入り、LUMO は j=4j=4。係数の位相は +,−,−,+,+,−+,-,-,+,+,- で、節は3個である。

Reference​