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熱化学

25分 Part 2 / Ch3 / Lesson 2
前提レッスン: 1-2-3

到達目標

  • 反応エンタルピー（反応熱）の概念を理解する
  • 熱化学方程式を書ける
  • ヘスの法則を用いた計算ができる

反応熱とエンタルピー

化学反応に伴う熱の出入り:

  • 発熱反応: 熱を放出 → ΔH<0\Delta H < 0
  • 吸熱反応: 熱を吸収 → ΔH>0\Delta H > 0

ΔH\Delta H: 反応エンタルピー変化（単位: kJ/mol）

発熱反応エンタルピー H反応物生成物ΔH < 0↓ 熱放出吸熱反応エンタルピー H反応物生成物ΔH > 0↑ 熱吸収
発熱反応と吸熱反応のエネルギー図

熱化学方程式

化学反応式に ΔH\Delta H を付けたもの。物質の状態（気: g、液: l、固: s、水溶液: aq）を明記する。

C(s)+O2(g)→CO2(g)   ΔH=−394 kJ/mol\mathrm{C(s) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g)}\ \ \ \Delta H = -394\ \mathrm{kJ/mol}

H2(g)+12O2(g)→H2O(l)   ΔH=−286 kJ/mol\mathrm{H_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow H_2O(l)}\ \ \ \Delta H = -286\ \mathrm{kJ/mol}

熱化学方程式では分数の係数も使える（モル数に対応するため）。ΔH\Delta H の値は記載した係数に対応。

ヘスの法則（総熱量保存の法則）

ヘスの法則: 反応の経路に関係なく、始状態と終状態が同じなら反応エンタルピーの合計は同じ。

→ 熱化学方程式を足し引きして未知の ΔH\Delta H を求められる。

ABCΔH = ?ΔH₁ΔH₂ΔH = ΔH₁ + ΔH₂
ヘスの法則の概念図

例題

例題: ヘスの法則

以下の2つの熱化学方程式から、CO の燃焼エンタルピーを求めよ。

(1) C(s)+O2(g)→CO2(g)\mathrm{C(s) + O_2(g) \rightarrow CO_2(g)}, ΔH1=−394 kJ/mol\Delta H_1 = -394\ \mathrm{kJ/mol}

(2) C(s)+12O2(g)→CO(g)\mathrm{C(s) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow CO(g)}, ΔH2=−111 kJ/mol\Delta H_2 = -111\ \mathrm{kJ/mol}

求めたい: CO(g)+12O2(g)→CO2(g)\mathrm{CO(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow CO_2(g)}, ΔH=?\Delta H = ?

式(1)から式(2)を引く:

CO2(g)−CO(g)−12O2(g)+12O2(g)=CO2(g)\mathrm{CO_2(g) - CO(g) - \frac{1}{2}O_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g)} = \mathrm{CO_2(g)}

整理: CO(g)+12O2(g)→CO2(g)\mathrm{CO(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow CO_2(g)}

ΔH=ΔH1−ΔH2=−394−(−111)=−283 kJ/mol\Delta H = \Delta H_1 - \Delta H_2 = -394 - (-111) = -283\ \mathrm{kJ/mol}

確認クイズ

Q1 発熱反応の ΔH は?

Q2 ヘスの法則が成り立つ理由は?

Q3 C(s) + O₂(g) → CO₂(g), ΔH = -394 kJ/mol。CO₂ 2 mol 生成時の発熱は?

演習

問1. 次の熱化学方程式から H2O(l)\mathrm{H_2O(l)} の生成エンタルピー ΔHf\Delta H_f を求めよ。

(1) H2(g)+12O2(g)→H2O(g)\mathrm{H_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow H_2O(g)}, ΔH1=−242 kJ/mol\Delta H_1 = -242\ \mathrm{kJ/mol}

(2) H2O(g)→H2O(l)\mathrm{H_2O(g) \rightarrow H_2O(l)}, ΔH2=−44 kJ/mol\Delta H_2 = -44\ \mathrm{kJ/mol}

解答・解説

式(1) + 式(2):

H2(g)+12O2(g)→H2O(l)\mathrm{H_2(g) + \frac{1}{2}O_2(g) \rightarrow H_2O(l)}

ΔHf=−242+(−44)=−286 kJ/mol\Delta H_f = -242 + (-44) = -286\ \mathrm{kJ/mol}