ハイレベル化学(仮)用作業スペース


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第一部:熱化学

第一章:反応熱の捉え方

第二章:熱化学方程式

§1.基本的な考え方

 x2+y2=x3+y3+Qについて考えます。
このとき当然ながら
 (x2-x1)+(y2-y1)=(x3-x1)+(y3-y1)+Q
が成り立ちます。
 この結果から、x2やy2の絶対値が分からずとも、基準(この場合はx1+y1)からの相対値(あるいは変化)が分かればQが求まることが理解できると思います。

 これと熱化学方程式の関係を考えてみましょう。

CO(気)+(1/2)O2(気)=CO2(気)+QkJ
CO(気)とCO2(気)の生成熱がそれぞれ、akJ/mol、bkJ/molであるとき、Qを求めなさい。

 ある物質の生成熱というのは、その物質1molを単体からつくったときに「発生する」熱エネルギーをあらわします。換言すると、ある物質は単体を基準にすると、生成熱の分だけエネルギーが低いことになります。

 CO(気)+(1/2)O2(気)=CO2(気)+QkJ
の各物質について原料単体を基準としたエネルギーの相対値を考えると
 CO(気)は-akJ
 O2(気)は単体ですから0kJ
 CO2(気)は-bkJ
となります。
 ここで、当たり前なのですが単体を基準にとると、必ず基準が左辺と右辺で等しくなることを確認しておきましょう。
 左辺の基準=C+(1/2)O2+(1/2)O2、右辺の基準=C+O2
 以上より先の議論と同様に
 -a+0=-b+Q
が成立するので、Q=-a+b(kJ)ということになります。

熱化学方程式の問題の急所
  • 基準からの相対エネルギーを考える。基準は、単体(生成熱)、原子(結合エネルギー)、完全燃焼物(燃焼熱)などが代表的。
  • 基準は1つで解けるが、2つ組み合わせると早く解けることもある。

§2.実践問題

練習問題1:
表1と表2を利用して以下の問いに答えなさい。
(1)黒鉛1molをすべて個々の原子の状態に分解するために要するエネルギーは何kcalか。
(2)黒鉛1molを完全燃焼させたときに生じる発熱量は何kcalか。

表1
分子中(気体)の結合をすべて切断して、個々の原子に分解するために要するエネルギー(kcal/mol)
 CO 257
 CO2 384
 N2 226
 NH3 280
 H2O 222

表2
 C(黒鉛)+(1/2)O2(気)=CO(気)+26kcal
 N2(気)+3H2(気)=2NH3(気)+22kcal
 H2(気)+(1/2)O2(気)=H2O(気)+58kcal
                                    (東京大改)

【解答案1(基準として単体・原子2つを利用する場合)】
(1)
 求めるものがC(黒鉛)の結合エネルギーに相当することに注意し、これをxkcal/molとおく。
 C(黒鉛)と、生成熱と結合エネルギーがともに分かっている物質のみ、すなわち、CO(気)、NH3(気)、H2O(気)、N2(気)とで新たな熱化学方程式を作ると
 3C(黒鉛)+N2(気)+3H2O(気)=3CO(気)+2NH3(気)+Qkcal
 単体を基準に考えると
 -3*58=-3*26-22+Q …①
 原子を基準に考えると
 -3x-226-3*222=-3*257-2*280+Q …②
 ①②より
 x=171 ∴171kcal
(2)
 求めるものはC(黒鉛)の燃焼熱に相当するが、CO2(気)の生成熱とC(黒鉛)の燃焼熱が等しいことに注意して、これをykcal/molとおく。
 CO2(気)と、生成熱と結合エネルギーがともに分かっている物質のみ、すなわち、C(黒鉛)、CO(気)とで新たな熱化学方程式を作ると
 C(黒鉛)+CO2(気)=2CO(気)+Qkcal
 原子を基準に考えると
 -171-384=-2*257+Q …③
 単体を基準に考えると
 -y=-2*26+Q …④
 ③④より
 y=93 ∴93kcal

【解答案2(基準として原子のみを利用する場合)】
(1)
 求めるものがC(黒鉛)の結合エネルギーに相当することに注意して、これをxkcal/molとおく。さらに、O2(気)、H2(気)の結合エネルギーをそれぞれakcal/mol、bkcal/molとする。
 表2の熱化学方程式について原子を基準に考えると
 -x-(1/2)a=-257+26
 -226-3b=-2*280+22
 -b-(1/2)a=-222+58
これらを解いて、x=171、a=120、b=104を得る。 ∴171kcal
(2)
 求めるものがC(黒鉛)の燃焼熱に相当することに注意して、これをykcal/molとおく。
すると熱化学方程式
 C(黒鉛)+O2(気)=CO2(気)+ykcal
が成り立ち、これについて原子を基準に考えると
 -171-120=-384+y
よってy=93を得る。 ∴93kcal