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反応のエンタルピー変化は、一定の圧力で発生する場合、反応が起こるときに吸収または放出される熱の量です。特定の状況と使用可能な情報に応じて、さまざまな方法で計算を完了します。多くの計算では、ヘスの法則が使用する必要がある重要な情報ですが、生成物と反応物のエンタルピーを知っていれば、計算ははるかに簡単です。
TL; DR(長すぎる;読まなかった)
エンタルピーの変化は、単純な式を使用して計算できます。 ∆H = H製品 − H反応物
エンタルピーの定義
エンタルピー(H)の正確な定義は、内部エネルギー(U)に圧力(P)と体積(V)の積を加えた合計です。シンボルでは、これは次のとおりです。
H = U + PV
したがって、エンタルピー(∆H)の変化は次のとおりです。
∆H = ∆U + ∆P∆V
ここで、デルタ記号(Δ)は「変化」を意味します。実際には、圧力は一定に保たれ、上記の式は次のように表示されます。
∆H = ∆U + P∆V
ただし、圧力が一定の場合、エンタルピーの変化は単に伝達される熱(q)になります。
∆H = q
(q)が正の場合、反応は吸熱性(すなわち、周囲から熱を吸収する)であり、負の場合、反応は発熱性(すなわち、周囲に熱を放出する)です。エンタルピーの単位はkJ / molまたはJ / mol、または一般にエネルギー/質量です。上記の方程式は、熱流とエネルギーの物理学、つまり熱力学に本当に関係しています。
単純なエンタルピー変化の計算
エンタルピー変化を計算する最も基本的な方法は、生成物と反応物のエンタルピーを使用します。これらの数量がわかっている場合は、次の式を使用して全体的な変更を計算します。
∆H = H製品 − H反応物
塩化ナトリウムを形成するために塩化ナトリウムイオンを塩化物イオンに追加することは、この方法で計算できる反応の例です。イオン性ナトリウムのエンタルピーは-239.7 kJ / molであり、塩化物イオンのエンタルピーは-167.4 kJ / molです。塩化ナトリウム(テーブル塩)のエンタルピーは-411 kJ / molです。これらの値を挿入すると、次が得られます。
∆H = −411 kJ / mol –(−239.7 kJ / mol -167.4 kJ / mol)
= −411 kJ / mol –(−407.1 kJ / mol)
= −411 kJ / mol + 407.1 kJ / mol = −3.9 kJ / mol
したがって、塩の形成により、1モルあたりほぼ4 kJのエネルギーが放出されます。
相転移のエンタルピー
物質が固体から液体、液体から気体、または固体から気体に変化すると、これらの変化には特定のエンタルピーが関与します。融解のエンタルピー(または潜熱)は固体から液体への移行を表し(逆はこの値からマイナスであり、融解エンタルピーと呼ばれます)、蒸発のエンタルピーは液体から気体への移行を表します(反対は凝縮です)昇華のエンタルピーは、固体から気体への移行を表します(逆は再び凝縮のエンタルピーと呼ばれます)。
水の場合、融解エンタルピーは∆H溶融 = 6.007 kJ / mol。 250ケルビンから氷が溶けるまで加熱し、次に水を300 Kに加熱するとします。加熱部分のエンタルピー変化は必要な熱だけなので、次のようにして見つけることができます。
∆H = nC∆T
(n)はモル数、(ΔT)は温度の変化、(C)は比熱です。氷の比熱は38.1 J / Kモルであり、水の比熱は75.4 J / Kモルです。そのため、計算はいくつかの部分で行われます。まず、氷を250 Kから273 K(つまり、-23°Cから0°C)に加熱する必要があります。 5モルの氷の場合、これは次のとおりです。
∆H = nC∆T
= 5 mol×38.1 J / K mol×23 K
= 4.382 kJ
次に、融解のエンタルピーにモル数を掛けます。
∆H = n ∆H溶融
= 5 mol×6.007 kJ / mol
= 30.035 kJ
蒸発の計算は、融解エンタルピーの代わりに蒸発エンタルピーを使用することを除いて同じです。最後に、最初と同じ方法で最終加熱段階(273 Kから300 Kまで)を計算します。
∆H = nC∆T
= 5 mol×75.4 J / K mol×27 K
= 10.179 kJ
これらの部分を合計して、反応のエンタルピーの合計変化を見つけます。
∆H合計 = 10.179 kJ + 30.035 kJ + 4.382 kJ
= 44.596 kJ
ヘスの法則
ヘスの法則は、検討している反応に2つ以上の部分があり、エンタルピーの全体的な変化を見つけたい場合に役立ちます。反応またはプロセスのエンタルピー変化は、それが発生する経路とは無関係であると述べています。これは、反応が物質を別の物質に変換する場合、反応が1つのステップで発生するか(反応物がすぐに生成物になるか)、または多くのステップを経るか(反応物が中間体になり、次に生成物になるか)、結果のエンタルピー変化は関係ないことを意味どちらの場合も同じです。
通常、この法則を使用するのに役立つダイアグラム(「参考文献」を参照)を描くと役立ちます。 1つの例として、6モルの炭素と3つの水素を組み合わせて開始すると、中間ステップとして燃焼して酸素と結合し、最終生成物としてベンゼンを形成します。
ヘスの法則は、反応のエンタルピーの変化は、両方の部分のエンタルピーの変化の合計であると述べています。この場合、1モルの炭素の燃焼は∆H = -394 kJ / molであり(これは反応で6回発生します)、1モルの水素ガスの燃焼のエンタルピーの変化は∆H = -286 kJです/ mol(これは3回発生します)と二酸化炭素と水の中間体は、エンタルピー変化∆H = +3,267 kJ / molでベンゼンになります。
これらの変化の合計をとって、エンタルピー変化の合計を見つけます。反応の最初の段階で必要なモル数をそれぞれ掛けることを忘れないでください。
∆H合計 = 6×(−394) + 3×(−286) +3,267
= 3,267 − 2,364 - 858
= 45 kJ / mol