2010年03月22日

いろいろな反応熱

前提記事:熱化学方程式

今回は

・融解熱、蒸発熱
・生成熱
・燃焼熱
・溶解熱
・中和熱


これらをガガッと片付けます。


まず蒸発熱


水が蒸発する反応って、発熱反応吸熱反応かどっちでしょう。


…水が沸騰して熱くなってる様子を思い浮かべると、なんとなく発熱反応っぽい…


では、H2O(気)とH2O(液)は、どっちのほうが持ちエネルギーが大きいと思うか!!


よくわからないですね

ここで考えるのは、僕らが水を沸騰させるときに、何をやってるかですよ。

火で加熱しますよね。もしくはIHクッキングヒーターで加熱しますよね。

熱を加える。つまり熱量を水に与えてやってるわけです。

そしてその結果、水は水蒸気になる。…ということは。



火なり電気からエネルギーを受け取った分だけ、H2O(気)のほうがH2O(液)よりも

持ちエネルギーが大きい!!



水が沸騰する、っていうのは、水の持ちエネルギーが大きくなる反応なんですね。

その際、水は火や電気からエネルギーを吸収します


ということで。

答えは、吸熱反応です。



さっきみたいな不等式で書くと

H2O(液)<H2O(気) ということになります。

これが、右辺から44kJを引いてやると、イコールになります。

H2O(液)=H2O(気) - 44kJ

この44kJが、蒸発熱、というわけです。



では水が凍って氷になる反応は発熱反応?吸熱反応?



これ、冷蔵庫を使って水をどんどん冷やしていきます。


冷やす、っていうのは、熱エネルギーをどんどん奪いさる、ってこと


物が冷えるとき、そいつは熱エネルギーをどんどん外に放出してるわけです。


熱を放出している、ということは、それまさに発熱反応ですね。


1molのH2O(液)が凍るときに放出する熱量が、水の融解熱、というわけ。


この辺の話、間違えそうだなと思った人は注意しておきましょう!



では次。


生成熱



これは、最も安定な単体からその物質1molを作る時に出入りする反応熱のこと


この「最も安定な単体」には、大抵、原子と同じ名前がついてます。


酸素原子Oからなる最も安定な単体は酸素O2(気)

窒素原子Nからなる最も安定な単体は窒素N2(気)


ただ、注意が必要なのが炭素です。こいつは「炭素」っていう安定な単体はないです。

かわりに(黒鉛)って書きます。何故わざわざC(固)ではなくC(黒鉛)って書くのかというと


C(固)って書くと、あてはまる物質が黒鉛以外にも出てきちゃうんですよね。

…知ってますか?


正解はダイヤモンドです。これ、炭素のかなり安定な単体です。


でも、最も安定なのはダイヤモンドより黒鉛だそうです。

まあ、ふうん、程度に思っておきましょう。


さて。これら「最も安定な単体」からある物質を作る時に発生する熱が生成熱です。


例えば。


CO2の生成熱を考えます。

構成元素は炭素Cと酸素Oですね。

それぞれの最も安定な単体は

C(黒鉛)と、O2(気)。

よって、C(黒鉛)とO2(気)から二酸化炭素が生じる時に発生する熱を考えれば、それが二酸化炭素の生成熱。


ちなみに、二酸化炭素の生成熱は394kJ/molです。これを熱化学方程式で表すと

黒鉛と酸素が394kJの熱を放出しながら1molの二酸化炭素になるので

C(黒鉛) + O2(気) = CO2(気) + 394kJ

となります。


もう一例だけあげておきます。

水の生成熱を考えましょう。

水を構成する元素の最も安定な単体は・・・?


H2(気)とO2(気)ですね。

ちなみに水の生成熱は286kJです。これを熱化学方程式で表すと


水素と酸素が286kJの熱を放出しながら1molの水になるので


H2Oseisei.gif


となります。


水1molについて考えているので、H2Oの係数が1になるようにします。

それに合わせて他の物質の係数が分数になることは有り得ます


では次です。


燃焼熱


これは、ある物質が酸素と化合する時の反応熱のことです。


いろんな反応がある中でわざわざ酸素と化合する場合だけを「燃焼熱」と名前つけて取り扱う理由はよくわかりませんが、まあ、よくある反応だから、程度のことでしょう。


ここで、「酸素1mol」でも「生じる物質1mol」でもなく

「燃焼する物質1mol」に注目することに注意してください。


なので、例えば水素の燃焼熱は次のようになります。

H2Oseisei.gif


先程の、水の生成熱の式と同じですね。この式は実は水素の燃焼熱も表していたんですが


生成熱の時は、右辺のH2Oの係数を1にするためにO2の係数を1/2にしましたが

今回は左辺のH2の係数を1にするためにO2の係数を1/2にしました。


では次です。


溶解熱


実は、物質を水なりなんなりに溶かしたときも、熱が発生します。意外ですね。でも手で触ってわかるような量は発生しないので、体感するのは多分難しいです。


で、この「溶解熱」は、大量の水(等の溶媒)に物質をとかした時に生じる熱です。


濃い溶液を作った時の話ではありません。


さて、高校範囲では、溶解熱の話をするときは水溶液の話しか出てきません。


エタノールにとかした時の話は出てこないわけです。まあ、絶対とは言えませんが・・・


で、熱化学方程式の上では、その「大量の水」のことをaqと表します。


ラテン語で水を表すaquaが語源らしいです。

「アクア」ってよく聞きますよね。ゲームとか、歯磨き粉とか。


溶解熱の場合は、溶かす物質(溶質)1molをとかした時の発熱量を考えます。


例えば水酸化ナトリウム1molを大量の水にとかした時の溶解熱は次のように表されます。

NaOH(個) + aq = NaOHaq + 45kJ

NaOHaqは、薄い水酸化ナトリウム水溶液を表します。


最後です。


中和熱


酸性のものとアルカリ性のものが中和して水1molができるときに発生する熱量です。


こんなところでも熱量が発生するんですね。

でもこれも触ってわかるようなレベルではないので体感するのは多分難しいです。


式としては

H+ + OH- = H2O(液) + 56.5kJ

これだけです。中和反応っていうのがこれしかないので。




以上です。今回はほぼ用語説明みたいな記事でしたね。


〜今回のまとめ〜
蒸発熱:ある物質1molが蒸発するときに吸収する熱量
融解熱:ある物質1molが融解するときに発生する熱量
生成熱:ある物質1molが、最も安定な単体からできるときに発生する熱量
燃焼熱:ある物質1molが酸素と化合して燃焼する時に発生する熱量
溶解熱:ある物質1molが大量の溶媒に溶ける時に発生する熱量
中和熱:酸性の溶液と塩基性の溶液が中和して水1molができるときに発生する熱量


前提記事:熱化学方程式
posted by 真田正大 at 19:56 | Comment(9) | TrackBack(1) | 物質の変化、熱

2010年03月05日

熱化学方程式

発展記事:反応熱の種類

熱化学方程式について勉強しましょう。


熱化学方程式は何故「方程式」と呼ばれるのか


→の代わりに=使ってるから方程式…?


どういうことやねん!!!


ということで。



まずは捉え方のイメージをお伝えしましょう。



CO2

これを見ると、Cが1個、Oが2個くっついてできた分子っぽい、っていう感じがしますねぇ。

C+O2→CO2

なんて式をみたら、ますますそんな感じがします。

C(黒鉛)+O2(気)=CO2(気)+ 394kJ

を見ても、割とそんな感じがします。


…が!!ここで!!そのイメージを!がんばって変えてみて!!


つまりどういうことかというと

C(黒鉛) O2(気) CO2(気)

これらを、「そういう物質」って捉えるんじゃなくて

その物質1molが持ってるエネルギーを表すもの」って考えてみてください!!


C(黒鉛)は、C(黒鉛)1molが持ってるエネルギーの値のことだと!数値のことだと!

数学でいうxみたいに、数値を表すものだと!


数値だとすると


C(黒鉛)+O2(気)=CO2(気)+ 394kJ


もわからなくもないですよね。


右辺の394kJっていうのをとっちゃうと


C(黒鉛)+O2(気) > CO2(気)

っていう不等式にもなる。


…こんな不等式はテストの答案とかには書かないでくださいね。


でも、この不等式の意味はわかるはず。


Cが1molとOが2molあるときに

CO2(気)っていう状態よりも、

C(黒鉛)+O2(気)っていう状態のほうが

持ってるエネルギーが大きい
ってこと。


で、どれだけ大きいのかっていうと、どっかの人がなんとかして求めた結果

394kJだった。


ということで、さっきの不等式

C(黒鉛)+O2(気) > CO2(気)


の右辺に、その差394kJを足すと

C(黒鉛)+O2(気) = CO2(気) +394kJ

という「方程式」になるわけですよ!!



これが熱化学方程式のイメージ。




普通の

2H2+O2→2H2O

みたいな化学反応式とは全然感じが違うものなんですよ。




あー、方程式っぽい感じね」っていうイメージはできてきました?



そしたら、最後に「安定」という言葉を説明して、この記事を終えておきましょう。



今後ちょいちょい出てくることになると思います。「安定」という言葉。



物質が「安定」ってどういうことなのか



安定、は、わかりやすくいうと、「変化しにくい」ってことです。


逆に、不安定な物質は変化しやすい


めっちゃくちゃ不安定な物質は、放射性物質で有名なウランとかプルトニウムとか。


こいつらは、ほっとくだけで自分で勝手に壊れて違う物質に変化します


で、身近なところだと、割と不安定なのが水素H2や酸素O2

どっちも気体ですね。

こいつらは、燃焼反応によって割と簡単に違う分子になります

で、かなり安定なのが窒素N2とか二酸化炭素CO2


何かに火をつけて燃える反応のとき、空気中の酸素は減りますが、窒素は全然減りません。空気の80%は窒素なのに。

安定で変化しにくいってことは、反応になかなか関与してこない、っていうことなんですよ。

こいつを反応させるには、窒素のとこで習う「ハーバーボッシュ法」っていう家庭ではとてもできないような方法を使います。


二酸化炭素は、ものが燃える反応で生じますが、二酸化炭素が何かに変化する反応、ってなかなかないんですよ。当然火なんかつかないし。

二酸化炭素が変化する反応といったら光合成がありますが、これまだ人工的にやるの成功してなかったはず。


安定な物質は、反応させるのが難しい、ってことです。



さて。安定な物質は変化しにくい、ってわかったところで、大事なこと言います。



たくさんエネルギーを持ってる物質ほど、不安定!!



エネルギーが高い状態っていうのは、不安定なんです。


簡単な例で言うと、ボールが高いところにある状態と、低いところにある状態。どっちが変化しやすいか、って言ったら、高いところにある状態のほうが変化しやすいです。落ちて低い状態に変化するからね。


で、ボールが高いところにあるとき、ボールは「位置エネルギー」っていうのを持ってます。まあ、物理やってない人は関係ないので聞き流していいですw


でもイメージはそんな感じ。


例えば。C(黒鉛)+O2(気) っていう状態は

CO2(気)っていう状態に変化する時、エネルギーを放出しますよね。

普通に炎だして外に熱出しながら燃えます。


その、炎の熱(や光や音)のエネルギーっていうのは

C(黒鉛)やO2が持ってたエネルギーと、CO2(気)が持つエネルギーの差分
なのね。


C(黒鉛)+O2(気)っていう状態のほうが持ってるエネルギーが大きくて不安定で

それが、ボールが高いところから落ちるように、持ってるエネルギーを外に出しながら、エネルギーが低くて安定なCO2(気)っていう状態に向かっていくわけです。




だから、熱化学方程式で

△=□+30kJ ってあったら

△のほうが持ってるエネルギーが大きいので不安定で、□のほうが安定。ということになる。


もちろん、△から□に変化する反応は発熱反応です。



ってことは、発熱反応っていうのは安定な状態に向かう反応なので、起こりやすい反応なんですね。


逆に、吸熱反応ってのは起こりにくい反応なんです。



「でも実際に吸熱反応起こっとるやないか!!!」



はい。そうなんですよ。吸熱反応は「起こりにくい」であって「起こらない」わけじゃない… 絶対じゃないので注意してください!



以上!


…ちなみに、吸熱反応が起こる場合の中には、外からエネルギーを加えてやらなくても
勝手に起こる場合があります。それは、コーヒーに垂らしたミルクが勝手に広がってくみたいに分子やらなんやらがバラバラになっていく反応なんですが、それはまた、別のお話。


〜今回のまとめ〜
熱化学方程式に出てくる分子とかは、「その物質1molが持つエネルギー」を表す
「安定」とは、持ってるエネルギーが低いことを言う

発展記事:反応熱の種類
posted by 真田正大 at 00:07 | Comment(11) | TrackBack(0) | 物質の変化、熱

2006年04月26日

「熱化学方程式」ヘスの法則(総熱量保存の法則)

ヘスの法則とは何か。

それは、総熱量保存の法則とも言い、その内容は


「物質が変化する時出入りする熱量は、変化する前の状態と変化した後の状態だけで決まり、変化の過程には無関係である。」

というものである。


・・なんですが、



ぶっちゃけね、こんな定義はね




どうでもいい♪




問題は、この「ヘスの法則」が成り立つことによって、


熱化学方程式を連立方程式と同じように扱うことができるということ。



だから、数学の連立方程式と同じように、



式書いた後に「・・・@」「・・・A」なんて番号つけちゃって



「@−A」で、式の右辺同士、左辺同士引き算したりとかね。



そういうことができちゃいます。



で、俺が気になったのは、計算過程ででてきた



CH4」



え、この、化学式チックなこれに、マイナスってありなわけ?




はい。


ありです。


もうね、「メタンを取り除くってことなのか・・・?」とか考えなくていい!



その-CH4を反対の辺に移項して+にすればいい。


ようは最後合ってりゃいいからb



はい。次。



生成熱と反応熱の関係ね。


教科書に書いてありますね。

反応熱=生成物の生成熱の和−反応物の生成熱の和




どうしてこうなるか。

生成熱、ってのは、単体から何かができるときに発生した熱

つまり、単体から何かができるときに、その物質が失ったエネルギーのことです。

その失ったエネルギーが熱として外にでた、ってこと。


で。ある反応式があるときに

反応物、生成物、それぞれについて

「単体からその状態になるときにどれだけエネルギーを失ったのか」を考えて、


その差をとればいいわけです。


単体→生成物 で失った熱と
単体→反応物→生成物 で失った熱は 

等しくなるから。「ヘスの法則」より。


だから、

単体→生成物 で失う熱量 から

単体→反応物 で失う熱量 を引けば

反応物→生成物 で失う熱量、つまり出てくる熱、反応熱が

求められる、っていうことです!



あ、ちなみに。


式の中に「O2」とかでてきて、「酸素の生成熱も足さなきゃ・・・」と考えちゃったらダメですよ。



生成熱ってのは、単体からその物質が出来るときに発生する熱。


だから、単体の生成熱は0です。


単体から単体になるときに発生する熱、ってったって、変化してないんだから熱も発生しないさー
posted by 真田正大 at 22:36 | Comment(7) | TrackBack(0) | 物質の変化、熱

2006年04月20日

「熱化学方程式」。ようは、形や状態や物質が変わったときに、熱が出入りする、つまり温度がかわるっちゅうことです。それを現したもn

はい!今回は、化学反応に伴う熱の出入りの表し方をひとつ紹介します!


まあつまりそれが熱化学方程式なんですがね。



・・・ウオッホン。

ええと、化学反応で起こる、熱の出入り。


ものを燃やしてでる熱は全部そうですよね★


さて。


熱量の単位にはJ(ジュール)を使います。ジュールってのは人の名前です。


水素1molに、適当に空気のある状態で火つけると、286kJ(キロジュール)の熱が発生する、みたいな言い方をします。





さて。


少しだけ語句の解説をします。

化学反応によって熱が発生する場合、発熱反応といいます。

ものが燃える反応は全部発熱反応です。まあ、感覚的にわかるよねw そりゃ燃えてんだから発熱だろうが、と。

で、逆に、熱を吸収する反応を吸熱反応といいます。


まあ、どっちも名前の感じからわかるよねw では語句の説明はこの辺にとておきまして。





で、熱化学方程式



例えば、水素1molを完全燃焼させるとします。

すると、286kJの熱を発熱します。 


それを熱化学方程式で書き表すわけです。


・・あ、286キロジュール発熱する、っていう情報は、必ず問題文にあります。なので、286という値を覚える必要はありませんよー。



で、熱化学方程式は「方程式」です。


方程式はあれですよ、左辺と右辺が「=」で結ばれてます。

だから=で結びます。 

普通の化学反応式は→で結ぶから、どっちからどっちに反応が進むのかわかりますが

この場合

ぶっちゃけもう、水が分解されるのか、水素と酸素から水ができるのか、どっちでも一緒ですw


何故かというと、熱化学方程式は、右辺の状態から左辺の状態に変化またはその逆の変化をするときに、どれだけの熱が出入りするか、を、記述するのが目的だからです。

左→右の変化のとき発生したのと同じだけの熱が右→左の変化のときには吸収されます。


で。

問題は係数ね。


普通この反応の場合、2H2+O2→2H2

になりますね。 


さてでも、今回は「水素が1mol」

なので、それを基準にして。 

2+(1/2)O2=H2O+286kJ  こうなります。



OK?



OKok。



基本はコレだけ。

あとは、いいよね。きっとね。


生成熱は単体が化合するときに生じるモノ、

燃焼熱は完全燃焼(酸素との化合)のとき、

溶解熱は液体に溶けるとき(水(aq)だったり、その他だったり)、

中和熱は酸性とアルカリ性が混ざって中和するときにでる熱。


ちなみにaqは、ラテン語(aqua)から来てるらしい。アクアね。アクア。

ゲームにはよくでてくる「水」だね。 

だから、aqは水b


塩酸は「塩化水素水溶液」だから、HClaqって書くことを忘れずに。

塩化水素がアクアに溶けたものなわけねb



あと
大事なのは、係数が分数になってもいいから、基準を見て従うってことね

普通の化学反応式では、一番簡単な整数比にするっていうルールがあるけど、熱化学方程式はそうじゃないからー


〜今回のまとめ〜

つまり、熱化学方程式は、化学反応に伴う熱の出入りを表すわけです。
posted by 真田正大 at 20:06 | Comment(0) | TrackBack(0) | 物質の変化、熱
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