エンタルピー、エンタルピー変化、および反応熱

化学を理解するには、物質がどのように反応するかを見るだけでなく、関与するエネルギー変化を理解することも含まれます。物質が化学反応を起こすとき、環境から熱が吸収されるか、環境に放出されます。これにより、熱化学の重要な概念であるエンタルピーにたどり着きます。この詳細な説明では、エンタルピー、エンタルピー変化、および反応熱を、わかりやすい形で理解します。

エンタルピーとは何ですか？

エンタルピー（記号: H）は、熱力学系の総エネルギーの指標です。内部エネルギーを含んでおり、それはシステムを作成するのに必要なエネルギー、および周囲を置換して体積と圧力を確立するのに必要なエネルギーを含みます。簡単に言うと、エンタルピーは定圧で生じる化学反応における熱エネルギーに関連しています。

 H = U + PV 

上記の式では、Hがエンタルピー、Uが内部エネルギー、Pが圧力を、Vが体積を表しています。エンタルピー自体はそれほど興味深いものではありませんが、反応中のエンタルピーの変化について貴重な情報を提供します。

エンタルピー変化

エンタルピー変化は、ΔHとして示され、化学反応の生成物と反応物の間のエンタルピーの差を表します。反応が熱を吸収するか放出するかを予測するために重要です。エンタルピー変化は次の2つのタイプに分類できます。

• 発熱反応：これらの反応は周囲の環境に熱を放出します。発熱反応の場合、エンタルピー変化は負です（ΔH < 0）。
• 吸熱反応：これらの反応は周囲から熱を吸収します。吸熱反応の場合、エンタルピー変化は正です（ΔH > 0）。

この概念を例とともに探ってみましょう。

A + B → C + heat (発熱反応)
Heat + A + B → C (吸熱反応)
    

発熱反応では、熱が生成され放出されるため、ΔHは負です。対照的に、吸熱反応は進行するために熱を必要とするため、ΔHは正です。

反応熱の理解

反応熱は反応が起こるときのエンタルピー変化とも呼ばれます。通常、標準状態で測定され、度の記号で示されますΔH°。反応熱は反応におけるエネルギー変化について有用な情報を提供します。

標準生成エンタルピー

これは、化合物がその標準状態でその元素から1モル生成されるときのエンタルピー変化です。式は次のように表されます。

 ΔH°f 

たとえば、水が水素と酸素から生成されることは次のように表されます。

H₂(g) + ½O₂(g) → H₂O(l) ΔH°f = -285.8 kJ/mol
    

これは、水が1モル生成されると285.8 kJのエネルギーが放出されることを示しています。

標準燃焼エンタルピー

標準燃焼エンタルピーとは、標準状態での酸素と完全に反応する1モルの物質が起こす熱変化のことです。メタンの燃焼は典型的な例です。

CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(l) ΔH°c = -890.3 kJ/mol
    

これは、メタン1モルの燃焼によって放出されるエネルギーを表します。

化学方程式とエネルギーダイアグラムを用いた視覚例

上のエネルギーダイアグラムは発熱反応を表しています。2つの反応物A + Bがエネルギーを放出しながら生成物C + Dになる様子を示しています。反応物と生成物のレベルの間の高さの違いは放出されたエネルギーを表し、下向きの傾斜で示されています。

このエネルギーダイアグラムは吸熱反応を示しています。ここでは、反応物E + Fがエネルギーを吸収し、生成物G + Hに変化します。上向きの傾斜はエネルギー吸収を示しており、生成物はより高いエネルギーレベルに位置します。

エンタルピー変化に影響を与える要因

多くの要因がエンタルピー変化の大きさに影響を与えます。たとえば：

1. 反応物と生成物の性質：異なる物質は異なる内部エネルギーを持ち、それがエンタルピー変化に影響を与えます。
2. 物理的状態：反応物と生成物の状態（固体、液体、気体）はエネルギー変化の量に影響を与えます。
3. 結合エネルギー：エンタルピー変化は結合を切るのに必要なエネルギーおよび新しい結合を形成する際に放出されるエネルギーにも影響されます。

結合の切断および形成を伴う反応では結合エンタルピーを使うことができます：

 ΔH = ∑(反応物の結合エネルギー) – ∑(生成物の結合エネルギー) 

エンタルピー計算の例

これらの原則を使用していくつかの反応のエンタルピー変化を計算しましょう。考えてみましょう：

反応: C(s) + O₂(g) → CO₂(g)
与えられた: ΔH°f [C(s)] = 0 kJ/mol, ΔH°f [O₂(g)] = 0 kJ/mol, ΔH°f [CO₂(g)] = -393.5 kJ/mol

ΔH = ΔH°f [生成物] - ΔH°f [反応物]
ΔH = [-393.5 kJ/mol] - [0 + 0]
ΔH = -393.5 kJ/mol
    

結果は、その反応が393.5 kJ/molのエネルギーを放出することを示しており、発熱反応であることを示しています。

別の反応の例を見てみましょう：

反応: N₂(g) + 3H₂(g) → 2NH₃(g)
与えられた: ΔH°f [N₂(g)] = 0 kJ/mol, ΔH°f [H₂(g)] = 0 kJ/mol, ΔH°f [NH₃(g)] = -45.9 kJ/mol

ΔH = 2(-45.9 kJ/mol) - [0 + 3(0)]
ΔH = -91.8 kJ/mol
    

この計算は、窒素と水素からアンモニアが形成されるときに91.8 kJ/molが放出されることを示しており、再び発熱プロセスであることを示しています。

ヘスの法則の役割

ヘスの法則は熱化学において重要な原則であり、化学反応の全体のエンタルピー変化は、反応がどの経路で進行しても同じであると述べています。この法則は、直接測定が難しい反応のエンタルピーを計算するのに役立ちます。この原則は次のようにまとめることができます：

 ΔH = ∑ΔH（反応経路のステップ） 

グラファイトによる二酸化炭素の生成の次のケースを考えてみましょう：

C(グラファイト) + O₂(g) → CO₂(g) ΔH = -393.5 kJ

異なるアプローチを取ったと仮定します：

C(グラファイト) + ½O₂(g) → CO(g) ΔH₁ = -110.5 kJ
CO(g) + ½O₂(g) → CO₂(g) ΔH₂ = -283.0 kJ

ヘスの法則を適用：
ΔH = ΔH₁ + ΔH₂
ΔH = -110.5 kJ + (-283.0 kJ)
ΔH = -393.5 kJ
    

結果はエンタルピー変化が一定であることを確認し、ヘスの法則を示しています。

エンタルピーおよび反応熱の実際の応用

エンタルピーと反応熱の概念は、次のようなさまざまな分野で重要です。

1. 工業プロセス：効率と経済性のために化学品、医薬品、材料の製造においてエネルギーの活用を制御することが重要です。
2. 環境科学：燃焼のようなプロセスに関わるエネルギーを理解することは、その環境影響を評価するのに役立ちます。
3. 食品科学：食物反応で放出または吸収されるエネルギーを計算することは、栄養と保存のために重要です。

これらの応用について光を当てることに加えて、エンタルピー関連の洞察は、高効率で低排出の燃料の開発など、持続可能なエネルギーの研究を導きます。

結論

エンタルピー、エンタルピー変化、および反応熱を研究することにより、学生は化学反応が物質とエネルギーをどのように変換するかをよりよく理解することができます。この理解は、理論的な洞察と実際の応用の両方への窓を提供し、化学および関連する科学のさらなる探求の基盤を形成します。

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