化学反応とエネルギー

１）反応熱

化学反応に伴って、出入する熱のことを反応熱という。また熱を発生する反応を発熱反応、熱を吸収する反応を吸熱反応という。

（例）　炭素（黒鉛）1molを燃焼すると349kJの熱が発生する。

　反応式　Ｃ　＋　Ｏ_２　→　ＣＯ_２　　　　

２）熱化学方程式

　　化学反応に伴って出入する熱量を明示した化学反応式を熱化学方程式という。

(例)　 「炭素（黒鉛）1molを燃焼すると349kJの熱が発生する」この反応を熱化学方程式で表すと次のようになる。

３）いろいろな反応熱

　以下の反応熱については、その定義をしっかり理解し、覚える必要がある。

ａ）燃焼熱・・・物質1molが完全に燃焼するときに発生する熱

　                           ああああ↓

　　　　　　　　　　　　　　O₂と反応して、CO₂とH₂Oを生成する。

（例）エタンC₂H₆の燃焼熱　1561kJ/mol　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　    　 ↓

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　     　 1molあたりのkJ

エタン1molの燃焼だから、方程式では、エタンの係数を１にする。ほかの係数が分数になっても構わない。

C₂H₆の係数で1molになっているので、反応熱はkJのみ、/molは不要

　　　　　　C₂H₆ + O₂  =  CO₂ + H₂O(液)　+  1561kJ

　ｂ）生成熱・・・化合物1molが、成分元素の単体から生成するときに発生または吸収する熱。

（例）水の生成熱　286　kJ/mol

　　　　　　水H₂Oの成分元素はHとO　・・・　HとO単体であるH₂とO₂からH₂Oをつくる。

　　　　　　H₂Oの係数を1にする。

　　　　　　H₂ + O₂  =  H₂O(液) + 286kJ

　ｃ）溶解熱・・・物質1molを多量の溶媒に溶かしたときに発生または吸収する熱。

（例）塩化ナトリウムの水に対する溶解熱　-3.88　kJ/mol

　　　　　　NaCl + aq  =  NaClaq  -3.88kJ

       +aq の意味　： 多量の水に溶解する     NaClaq　の意味　：　NaClの水溶液

ｅ）中和熱・・・酸と塩基が中和反応するときに発生する熱

問題15　次の反応熱を表す熱化学方程式を書け。

①アンモニアの生成熱は46.1kJ/molである。N₂ +H₂ = NH₃ + 46.1kJ

②二酸化炭素の生成熱は394kJ/molである。　　C(黒鉛) + O₂ = CO₂ + 394kJ

③メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）（液 ）の燃焼熱は1368 kJ/molである。 CH₃OH + O₂ = CO₂ + 2H₂O(液) + 1368kJ

④塩化カリウムの水への溶解熱は-17.2 kJ/molである。 KCl +aq = KClaq -17.2kJ

⑤水の蒸発熱は41 kJ/molである。 H₂O(液) = H₂O(気) -41kJ

問題16

①標準状態で2.24 lのメタンを完全燃焼させると89.3KJの熱が発生する。メタンの燃焼を熱化学方程式で示せ。

　熱化学方程式では、その物質1molあたりの反応熱でしめす。つまり、与えられた数値からメタン1molあたりの燃焼熱を求める。

　メタン22.4 lで1mol だから、2.24 lは0.100mol。つまり、メタン0.100molを燃焼すると、89.3kJ。

　メタン1molでは、893kJとなる。

　熱化学方程式　　CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O + 893kJ

②水酸化ナトリウム2.0ｇを水100ｇに入れて溶解させると、溶液の温度は5.1℃上昇した。水酸化ナトリウムの溶解熱を求めよ。ただし、溶液の比熱を4.2J/(g・K)とする（NaOH = 40）。

 まず、水の温度上昇から熱量を計算する。比熱は単位から、1gのものを、1K（ここでは℃）上昇させるのに必要な熱量[J]ということになる。

　上昇した温度 = 5.1[℃]， 水の量 = 100[g]

　発熱量 = 4.2 × 5.1 × 100 [J] = 4.2 × 5.1 × 100 × [kJ]

  これは、水酸化ナトリウム2.0ｇの溶解熱である。次に1mol分の熱量を求める。NaOHは40g = 1molだから、

 4.2 × 5.1 × 100 × ×≒　43 [kJ/mol]

４）ヘスの法則（総熱量保存の法則）

「化学反応において、反応物質と生成物質とが同じであれば、途中の反応経路に関係なく、発生または吸収される熱量（反応熱）は一定である。」

(例)　固体の水酸化ナトリウムと塩酸（ＨＣｌの水溶液）との反応をつぎの２つの経路で考える。

[経路１]　固体の水酸化ナトリウムＮａＯＨ1molを塩酸（１molのＨＣｌを含む水溶液）と反応させると101ｋJの発熱である。

          NaOH（固） + HClaq = NaClaq + H₂O + 101kJ ・・・　①

[経路２]　 固体の水酸化ナトリウムＮａＯＨ1molを水に溶かして水酸化ナトリウム水溶液をつくると、４５ｋＪの発熱である。（ＮａＯＨの溶解熱）

　　　　　　　NaOH（固） + aq = NaOHaq  + 45kJ ・・・　②

　　　　　さらに、その水溶液に、塩酸（１molのＨＣｌを含む水溶液）を加えると、56ｋＪの発熱である。

NaOHaq + HClaq = NaClaq + H₂O + 56kJ ・・・　③

　　　　　よって、②と③の反応熱を加えると、①の反応熱になる（②＋③＝①）。すなわち、反応経路が異なっても、最初と最後の状態が同じならば、反応熱は等しい。また、②と③の熱化学方程式を加えると、①の熱化学方程式になる。

NaOH（固）　+　aq     =　NaOHaq　        ああ+　45kJ ・・・　②

＋） NaOHaq　　 +　HClaq　=　NaClaq　  +　H₂O　+　56kJ ・・・　③ 

ああ

      あNaOH（固）　+  HClaq　=　NaClaq　  +　H₂O +　101kJ ・・・　①

これを図にすると次のようになる。

ヘスの法則の応用

問題17　

炭素（黒鉛）および水素の燃焼熱は、それぞれ394KJ/mol,286KJ/molである。また、プロパンC₃H₈の生成熱は、103KJ/molである。プロパンの燃焼熱を求めよ。

プロパンの燃焼熱をＱkJ／molとして、プロパンの燃焼の熱化学方程式を立てる。

　　　　C₃H₈ + 5O₂ = 3CO₂ + 4H₂O(液)　　　　　　　　　・・・Ａ

与えられている炭素,水素の燃焼熱およびプロパンの生成熱を用いて、それぞれの熱化学方程式を立てる。

　　　　C(黒鉛) + O₂ = CO₂ + 394kJ　　　　　　　　　　 ・・・①

　　 H₂ + O₂ = H₂O(液) + 286kJ　             ・・・②

3C(黒鉛) + 4H₂ = C₃H₈ + 103kJ　           ・・・③

①～③を連立させて、Ａをつくり、反応熱を求める。（①～③は一度使えばよい）

・Ｃ_３Ｈ_８はＡの左辺と③の右辺にあり、係数はともに１なので③を用いてAをつくるには、－③　

・Ｏ_２は①と②の２つにまたがっているので、無視すればよい。（他で①と②を使えば、自動的にＯ_２は処理される）　　　　　　　　　

・ＣＯ_２はＡの右辺に３つ、①右辺に１つあるので、①を用いてAをつくるには、＋①×３　

・Ｈ_２Ｏ（液）はＡの右辺に４つ、②右辺に１つあるので、②を用いてAをつくるには、＋②×４

つまり、　A＝①×３＋②×４－③　　　より、Ｑ＝ 394×3 + 286×4 – 103 = 2223 [kJ/mol]

５）結合エネルギー

結合エネルギー

　気体分子内の２原子間の共有結合を切り離すのに必要な結合1molあたりのエネルギーを結合エネルギーという。（単位：kJ/mol）

　（例）Ｈ－Ｈの結合エネルギー　432kJ/mol

      H₂ =　 2H – 432kJ

意味　･･･　Ｈ_２分子（Ｈ-Ｈ）の結合を切って、水素原子（2H）にするのに要するのに必要なエネルギーが１モルあたり432kJである。

（表）結合エネルギー（kJ/mol）

H-H	436	H-Cl	432	C-Cl	325	C-C（ダイヤモンド）	357
C-H	413	H-F	568	O=O	494	C-C（黒鉛）	331
O-H	463	Cl-Cl	243	C=O	804	C=C	590
N-H	390	F-F	158	N≡N	945	C≡C	810

結合エネルギーと反応熱

　　分子を構成している分子間の結合エネルギーが分かっていると、気体状態において分子が反応するときの反応熱を求めることができる。

　　注意）結合エネルギーは物質が気体の状態のときでないと使うことができない。

（例）ＨＣｌの生成熱を上の結合エネルギー（表）を用いて求めよ。

熱化学方程式	1	H2	+	1	Cl2	= 　HCl + QkJ・・・　（Ａ）
	2			2

（解法１）

熱化学方程式を連立させて求める。 結合エネルギーは方程式の右辺に付けるとき「－」になることに注意。

H₂ = 2H – 436kJ ・・・ （１）Cl₂ = 2Cl – 243kJ ・・・ （２）HCl = H + Cl - 432kJ ・・・ （３）

（A） = （１）×	1	＋ （２）×	1	- （３） より、
	2		2

Q = (-436)×	1	＋（-243）×	1	- （432） = 92.5[kJ/mol]
	2		2

（解法２）

次の関係式を利用する。

　反応熱＝（生成物の結合エネルギーの総和）－（反応物の結合エネルギーの総和）

反応熱＝	HClの結合 エネルギー	－	H2の結合 エネルギー	×	1	+	Cl2の結合 エネルギー	×	1
					2				2

注意）（A）の方程式を移行させて、

反応熱＝（反応物の結合エネルギーの総和）－（生成物の結合エネルギーの総和）にしないように。

問題　

①

　次の熱化学方程式を用いて、Ｎ≡Ｎの結合エネルギーを求めよ。ただし、H-H，N-Hの結合エネルギーはそれぞれ、436 kJ/mol，390kJ/moとする。l

熱化学方程式　Ｎ_２　＋　３Ｈ_２　＝　２ＮＨ_３　＋　92.2ｋＪ

Ｎ≡Ｎの結合エネルギーをx kJ/molとし、反応熱＝（生成物の結合エネルギーの総和）－（反応物の結合エネルギーの総和）を利用する。

生成物の結合エネルギーの総和

NH₃の中には、N-Hの結合が3つあるので、NH₃の結合エネルギーの総和は、390×3kJ/mol。 係数が2なので、390×3×2kJ。

反応物の結合エネルギーの総和

　　　　　　Ｎ_２の結合エネルギー　＋　Ｈ_２の結合エネルギー×3 = x + 436×3 kJ。

　　　　　　つまり、　92.2 = 390×3×2 –( x + 436×3) ， x　=939.8 ≒ 940 [kJ/mol]

　②
　 Ｈ_２Ｏ(液)の生成熱を求めよ。ただし、H-H，O=O，H-Oの結合エネルギーはそれぞれ、436kJ/mol，494kJ/mol，463kJ/molである。また、水の蒸発熱は41kJ/molである。

熱化学方程式H2 +	1	O2 = H2O(液)　+ Q1kJ・・・（１）
	2

結合エネルギーは分子が、気体の状態のときでなと使えない。そこで、一度、H₂O(気)の生成熱を求めて、H₂O(液)　にする。

熱化学方程式H2 +	1	O2 = H2O(気)　+ Q2kJ　・・・（２）
	2

反応熱＝（生成物の結合エネルギーの総和）－（反応物の結合エネルギーの総和）より、生成物の結合エネルギー H₂OにはH-Oが2つあるので、463×2[kJ]

反応物の結合エネルギー　436 +　494×	1	[kJ]
	2

Q2 ＝ 463 × 2 - ( 436 + 494 ×	1	) = 243[kJ]
	2

水の生成熱は41kJ/molなので、H₂O（液） = H₂O（気） - 41kJ ・・・（３）

（１） = （２）-（３）　より、　Q₁ = 243 – (-41) = 284 [kJ/mol] 

６）化学反応と光

　　化学反応は熱エネルギーを与えると起こることが多いが、光エネルギーによって起こる場合もある。例えば、水素H₂と塩素Cl_２は強い光の存在下で爆発的に反応する。このように光エネルギーによって起こる化学反応を光化学反応という。
　　発熱反応のように化学反応が起こるときに物質が熱を放出するの同様に、光を発する反応がある。この発光を化学発光または化学ルミネセンスという。化学発光の例としては、ルミノール反応がある。ルミノールは酸化されるとすると発光する物質で、血痕の検出にも使われている。これは、血液中のヘム（鉄の錯体）によって酸化が促進され発光する。
　　その他、写真のフィルムには臭化銀AgBrが使われていて、光によってAg⁺がAgに変化することによって黒くなる。植物の光合成も光化学反応ひとつである。