化学反応のエンタルピーを計算する方法

化学反応中、反応は環境から熱を吸収するか、環境に熱を放出します。化学反応とその環境との間で交換される熱量はエンタルピーと呼ばれ、通常は H で表されます。しかし、H を直接測定することはできません。科学者は、時間の経過に伴う反応温度の「変化」を使用して、時間の経過に伴うエンタルピーの「変化」を計算します。これは '''∆H''' で表されます。 ∆H を知ることで、科学者は反応が熱を放出しているのか、それとも吸収しているのかを判断できます。熱の放出は「発熱」と呼ばれ、熱の吸収は「吸熱」と呼ばれます。一般に、 ∆H = m x s x ∆Tであり、ここで m は反応物の質量、s は生成物の比熱、∆T は反応温度の変化です。

方法1方法1/3:

エンタルピー問題の解決

{"smallUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/images_en\/thumb\/0\/0a\/Calculate-the-Enthalpy-of-a-Chemical-Reaction-Step-1-Version-2.jpg\/v4-460px-Calculate-the-Enthalpy-of-a-Chemical-Reaction-Step-1-Version-2.jpg","bigUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/i mages\/thumb\/0\/0a\/化学反応のエンタルピーを計算するステップ 1 バージョン 2.jpg\/v4-728px-化学反応のエンタルピーを計算するステップ 1 バージョン 2.jpg","smallWidth":460,"smallHeight":345,"bigWidth":728,"bigHeight":546,"licensing":" class=\"mw-parser-output\"><\/div>"} 1反応の生成物と反応物を決定します。あらゆる化学反応には、生成物と反応物という 2 つの化学物質が関与します。生成物は反応によって「生成される」化学物質であり、反応物は「相互作用、結合、または分解」して生成物を生成する化学物質です。言い換えれば、化学反応の反応物はレシピの材料のようなもので、生成物は完成した料理のようなものです。反応の ∆H を計算するには、まず反応の生成物と反応物を特定する必要があります。
- たとえば、水素と酸素が反応して水が形成される際のエンタルピーを計算するとします：2H ₂ (水素) + O ₂ (酸素) → 2H ₂ O (水)。この式では、 _H2と_{O2 が}反応物であり、 _H2Oが生成物です。
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- 水の場合、反応物は酸素と水素であり、それぞれのモル質量は 2 g と 32 g です。式の_H2の横に係数「2」があり、 _{O2 の}横に係数がないため、反応には 2 モルの水素と 1 モルの酸素が使用され、反応物の総質量は次のように計算されます。
  2 × (2g) + 1 × (32g) = 4g + 32g = 36g 。
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- 式に複数の生成物が含まれる場合は、各生成物を生成する成分反応のエンタルピーを計算し、それらを合計して反応全体のエンタルピーを求める必要があることに注意してください。
- この例では、最終生成物は水であり、その比熱は約4.2 J/(g• °C) です。
{"smallUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/images_en\/thumb\/1\/18\/Calculate-the-Enthalpy-of-a-Chemical-Reaction-Step-4-Version-2.jpg\/v4-460px-Calculate-the-Enthalpy-of-a-Chemical-Reaction-Step-4-Version-2.jpg","bigUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/i mages\/thumb\/1\/18\/化学反応のエンタルピー計算ステップ 4 バージョン 2.jpg\/v4-728px-化学反応のエンタルピー計算ステップ 4 バージョン 2.jpg","smallWidth":460,"smallHeight":345,"bigWidth":728,"bigHeight":546,"licensing":"<div class=\"mw-parser-output\"><\/div>"} 4反応前後の温度差を計算します。次に、反応前後の温度変化である ∆T を計算する必要があります。 ∆T は、反応の初期温度 T1 から反応の最終温度 T2 を減算して計算されます。ほとんどの化学計算と同様に、温度はケルビン (K) 単位で使用する必要がありますが、摂氏 (C) 単位での温度を使用しても同じ結果が得られます。
- この例では、反応温度が開始時に 185K、終了時に 95K であると仮定します。この場合、∆Tは次のように計算されます。
  ∆T = T2 – T1 = 95K – 185K = -90K .
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- この例では、反応エンタルピーは次のように計算されます。
  ∆H = (36g) × (4.2 JK-1 g-1) × (-90K) = -13,608 J .
{"smallUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/images_en\/thumb\/4\/4c\/Calculate-the-Enthalpy-of-a-Chemical-Reaction-Step-6-Version-2.jpg\/v4-460px-Calculate-the-Enthalpy-of-a-Chemical-Reaction-Step-6-Version-2.jpg","bigUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/i mages\/thumb\/4\/4c\/Calculate-the-Enthalpy-of-a-Chemical-Reaction-Step-6-Version-2.jpg\/v4-728px-Calculate-the-Enthalpy-of-a-Chemical-Reaction-Step-6-Version-2.jpg","smallWidth":460,"smallHeight":345,"bigWidth":728,"bigHeight":546,"licensing":"<div class=\"mw-parser-output\"><\/div>"} 6反応によってエネルギーが失われるか、エネルギーが得られるかを判断します。さまざまな反応の ∆H を計算する主な理由は、反応が発熱反応 (エネルギーが失われて熱が放出される) か、吸熱反応 (エネルギーが得られて熱が吸収される) かを判断するためです。 ∆H の最終的な答えが正の場合、反応は吸熱反応です。逆に、答えが負の場合、反応は発熱反応です。数値が大きいほど、反応によって放出または吸収される熱が多くなります。発熱反応が非常に激しい場合は注意してください。非常に多くのエネルギーが放出されるため、急速に放出されると爆発を引き起こすこともあります。
- この例では、最終的な答えは -13608 J です。これは負の数なので、反応は発熱反応であることがわかります。これは、 _H2と_{O2 が}気体であるのに対し、生成物の_{H2O は}液体であるため、理にかなっています。蒸気の形をした高温のガスは、液体の水を形成できる温度まで冷却するために、熱としてエネルギーを周囲に放出する必要があります。つまり、 _{H2O を}形成するプロセスは発熱プロセスです。
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方法2方法2/3:

推定エンタルピー

{"smallUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/images_en\/thumb\/1\/1a\/Calculate-the-Enthalpy-of-a-Chemical-Reaction-Step-7-Version-2.jpg\/v4-460px-Calculate-the-Enthalpy-of-a-Chemical-Reaction-Step-7-Version-2.jpg","bigUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/i mages\/thumb\/1\/1a\/Calculate-the-Enthalpy-of-a-Chemical-Reaction-Step-7-Version-2.jpg\/v4-728px-Calculate-the-Enthalpy-of-a-Chemical-Reaction-Step-7-Version-2.jpg","smallWidth":460,"smallHeight":345,"bigWidth":728,"bigHeight":546,"licensing":"<div class=\"mw-parser-output\"><\/div>"} 1結合エネルギーを使用してエンタルピーを推定します。ほぼすべての化学反応には、原子間の結合の形成または切断が伴います。化学反応におけるエネルギーは消えることも現れることもないので、反応において結合を形成または切断するために必要なエネルギーがわかれば、それらの結合エネルギーを合計して、反応全体のエンタルピー変化を非常に正確に推定することができます。
- 反応_H2 + _F2 → 2HFを例に挙げてみましょう。この反応では、 _H2分子内のH原子を破壊するために必要なエネルギーは436 kJ/molですが、 _F2に必要なエネルギーは158 kJ/molです。 ^{[1] X研究ソース}最後に、H と F が HF を形成するために必要なエネルギーは -568 kJ/mol に等しくなります。 ^{[2] X研究ソース}この式の積は2 HF なので、2 を掛ける必要があります。つまり、2 × -568 = -1136 kJ/mol です。すべての値を合計すると次のようになります。
  436 + 158 + -1136 = -542 kJ/mol .
{"smallUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/images_en\/thumb\/9\/9f\/Calculate-the-Enthalpy-of-a-Chemical-Reaction-Step-8-Version-2.jpg\/v4-460px-Calculate-the-Enthalpy-of-a-Chemical-Reaction-Step-8-Version-2.jpg","bigUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/i mages\/thumb\/9\/9f\/化学反応のエンタルピーを計算する-ステップ8-バージョン2.jpg\/v4-728px-化学反応のエンタルピーを計算する-ステップ8-バージョン2.jpg","smallWidth":460,"smallHeight":345,"bigWidth":728,"bigHeight":546,"licensing":" class=\"mw-parser-output\"><\/div>"} 2生成エンタルピーを使用してエンタルピーを推定します。生成エンタルピーは、特定の化学種を形成するために使用される反応のエンタルピー変化を表す固定された ∆H 値です。式中の生成物と反応物を生成するために必要な生成エンタルピーがわかっている場合は、それらを合計して、上記の結合エネルギー法とほぼ同じ方法でエンタルピーを推定できます。
- C ₂ H ₅ OH + 3O ₂ → 2CO ₂ + 3H ₂ O という反応を例に挙げてみましょう。この反応では、次の生成エンタルピーが知られています。 ^{[3] X研究ソース}
  C ₂ H ₅ OH → 2C + 3H ₂ + 0.5O ₂ = 228 kJ/モル
  2C + 2O ₂ → 2CO ₂ = -394 × 2 = -788 kJ/モル
  3H ₂ + 1.5 O ₂ → 3H ₂ O = -286 × 3 = -858 kJ/モル
  これらの式を足し合わせると C ₂ H ₅ OH + 3O ₂ → 2CO ₂ + 3H ₂ O となり、これはまさにエンタルピーを計算したい式なので、反応のエンタルピーを計算するには、上記の反応の生成エンタルピーを足すだけで済みます。計算プロセスは次のとおりです。
  228 + -788 + -858 = -1418 kJ/mol .
{"smallUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/images_en\/thumb\/2\/2e\/Calculate-the-Enthalpy-of-a-Chemical-Reaction-Step-9-Version-2.jpg\/v4-460px-Calculate-the-Enthalpy-of-a-Chemical-Reaction-Step-9-Version-2.jpg","bigUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/i mages\/thumb\/2\/2e\/Calculate-the-Enthalpy-of-a-Chemical-Reaction-Step-9-Version-2.jpg\/v4-728px-Calculate-the-Enthalpy-of-a-Chemical-Reaction-Step-9-Version-2.jpg","smallWidth":460,"smallHeight":345,"bigWidth":728,"bigHeight":546,"licensing":" class=\"mw-parser-output\"><\/div>"} 3方程式を逆にするときは、符号を変更することを忘れないでください。生成エンタルピーを使用して反応エンタルピーを計算する場合、成分反応の式が逆転するたびに生成エンタルピーの符号を変更する必要があることに注意することが重要です。言い換えれば、すべての生成物と反応物を取得して除去できるようにするために、1 つ以上の生成反応方程式を反転する場合は、それらの生成反応方程式のエンタルピー値の符号を変更する必要があります。
- 前の例では、C ₂ H ₅ OH に使用した生成反応が逆になっていることに気づいたはずです。 C ₂ H ₅ OH → 2C + 3H ₂ + 0.5O _{2 は}、C ₂ H ₅ OH の生成ではなく、分解を示しています。すべての生成物と反応物を得るために方程式を逆にして打ち消すことができるため、生成エンタルピーの符号を 228 kJ/mol に変更する必要がありました。実際、C ₂ H ₅ OH の生成エンタルピーは -228 kJ/mol に等しくなります。
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方法3方法3/3:

エンタルピー変化の実験的観察

{"smallUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/images_en\/thumb\/2\/21\/Calculate-the-Enthalpy-of-a-Chemical-Reaction-Step-10-Version-2.jpg\/v4-460px-Calculate-the-Enthalpy-of-a-Chemical-Reaction-Step-10-Version-2.jpg","bigUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/i mages\/thumb\/2\/21\/化学反応のエンタルピーを計算する-ステップ 10-バージョン 2.jpg\/v4-728px-化学反応のエンタルピーを計算する-ステップ 10-バージョン 2.jpg","smallWidth":460,"smallHeight":345,"bigWidth":728,"bigHeight":546,"licensing":" class=\"mw-parser-output\"><\/div>"} 1きれいな容器を用意し、水を入れます。簡単な実験を行うことで、エンタルピーがどのように機能するかを簡単に知ることができます。実験反応が異物混入なしで起こるようにするには、使用する容器を洗浄し、滅菌してください。科学者は熱量計と呼ばれる特殊な密閉容器を使用してエンタルピーを測定しますが、ショットグラスとフラスコを使用しても妥当な結果を得ることができます。どの容器を使用する場合でも、清潔な室温の水道水を入れます。反応は、温度が低い屋内で実行する必要があります。
- この実験には非常に小さな容器が必要です。発泡錠のエンタルピー変化効果をテストしているので、使用する水が少ないほど、温度変化は大きくなります。
{"smallUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/images_en\/thumb\/1\/10\/Calculate-the-Enthalpy-of-a-Chemical-Reaction-Step-11-Version-2.jpg\/v4-460px-Calculate-the-Enthalpy-of-a-Chemical-Reaction-Step-11-Version-2.jpg","bigUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/i mages\/thumb\/1\/10\/化学反応のエンタルピーを計算する-ステップ 11-バージョン 2.jpg\/v4-728px-化学反応のエンタルピーを計算する-ステップ 11-バージョン 2.jpg","smallWidth":460,"smallHeight":345,"bigWidth":728,"bigHeight":546,"licensing":" class=\"mw-parser-output\"><\/div>"} 2温度計を容器に挿入します。温度計を用意し、温度計の球が水面より下になるように容器の中に挿入します。水の温度を読み取ります。この実験では、水の温度が反応の初期温度 T1 になります。
- 水の温度を測定して、ちょうど 10 ℃ であることがわかったとします。後でサンプル温度計の測定値を使用して、エンタルピーの原理を説明します。
3発泡錠を容器に入れます。実験を始める準備ができたら、発泡錠を水の中に入れます。すぐに泡が出てシュワシュワし始めるのがわかるでしょう。発泡錠が水に溶けると、重炭酸塩（HCO ₃ ^- ）とクエン酸に分解され、水素イオン（H ^{+ ）}の形で反応します。これらの化学物質は、3HCO ₃ ⁻ + 3H ⁺ → 3H ₂ O + 3CO ₂という反応で水と二酸化炭素ガスを生成します。
{"smallUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/images_en\/thumb\/2\/24\/Calculate-the-Enthalpy-of-a-Chemical-Reaction-Step-13-Version-2.jpg\/v4-460px-Calculate-the-Enthalpy-of-a-Chemical-Reaction-Step-13-Version-2.jpg","bigUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/i mages\/thumb\/2\/24\/化学反応のエンタルピーを計算する-ステップ 13-バージョン 2.jpg\/v4-728px-化学反応のエンタルピーを計算する-ステップ 13-バージョン 2.jpg","smallWidth":460,"smallHeight":345,"bigWidth":728,"bigHeight":546,"licensing":" class=\"mw-parser-output\"><\/div>"} 4反応が完了したら温度を測定します。反応を監視してください。発泡錠は徐々に溶解するはずです。発泡錠反応が終了した後、または反応速度が非常に遅くなった後に、再度温度を測定します。水温は以前よりも少し低くなるはずです。水温が上昇すると、室内の温度が高すぎるなどの外部要因によって実験が影響を受ける可能性があります。
- この実験では、発泡錠の泡立ちが終わった後の水温が8℃であると仮定します。
{"smallUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/images_en\/thumb\/7\/76\/Calculate-the-Enthalpy-of-a-Chemical-Reaction-Step-14-Version-2.jpg\/v4-460px-Calculate-the-Enthalpy-of-a-Chemical-Reaction-Step-14-Version-2.jpg","bigUrl":"https:\/\/www.wikihow.com\/i mages\/thumb\/7\/76\/化学反応のエンタルピーを計算する-ステップ 14-バージョン 2.jpg\/v4-728px-化学反応のエンタルピーを計算する-ステップ 14-バージョン 2.jpg","smallWidth":460,"smallHeight":345,"bigWidth":728,"bigHeight":546,"licensing":"<div class=\"mw-parser-output\"><\/div>"} 5反応のエンタルピーを推定します。理想的な実験では、発泡錠を水に加えると、泡の形で水と二酸化炭素ガスが発生し、水温が下がります。この情報に基づいて、反応は吸熱反応、つまり周囲からエネルギーを吸収する反応であると予想できます。溶解した液体反応物は、気体生成物になるために追加のエネルギーを必要とするため、周囲（この場合は水）から熱の形でエネルギーを吸収します。こうすると水温が下がります。
- この実験では、発泡錠を加えた後、水温が 2 度下がりました。これは、穏やかな吸熱反応という私たちの予想と一致しています。
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