化学では、発熱反応 通常は光または熱の形で、ある程度の量のエネルギーを放出する化学反応を指します。発熱反応の反対は、周囲の環境から熱を取り込む吸熱反応です。
発熱反応の特徴は、一般的な化学式で表すことができます。反応物 → 生成物 + エネルギー。そのため、発熱反応によって化学生成物が生成され、エネルギーが放出されます。
発熱反応は、放出されたエネルギーを使用して外部システムで物理的な作業を実行できるため、技術的応用において重要です。この最も一般的な例は、標準的な自動車の内燃機関です。ガソリンの燃焼反応から放出される熱は、エンジンのピストンに物理的な力を加え、ピストンを動かします。ピストンはその熱エネルギーを機械エネルギーに変換し、車の車輪を回転させます。爆発性物質では、発熱反応も一般的です。
発熱反応におけるエネルギーの放出は、化学系に含まれるエネルギーの総量に関連しています。化学系の全エネルギーを正確に測定することは非常に難しいため、代わりに科学者は変化を測定します 時間の経過に伴うシステムのエネルギー。この値はエンタルピー変化と呼ばれます 変数 ΔH. で表されます。 エンタルピーの変化は、内部エネルギーの量に、化学反応を介してそのシステムを変更するために必要なエネルギーを加えたものに等しくなります。エンタルピー変化は次のように考えることができます:
ΔH =製品の結合を形成する際に使用されるエネルギー - 反応物の結合を切断する際に放出されるエネルギー
すべての発熱反応について ΔH <0。値がマイナスになっているのは、発熱反応が放出するためです そのため、発熱反応後のシステムの総エネルギーは、最初のエネルギーよりも少なくなります。たとえば、燃焼水素反応の方程式は次のとおりです。
2H2 (g) + O2 (g) → 2H2 O (g)
この反応のそれぞれのエンタルピー変化は:
ΔH =-483.6 kJ/mol of O2 .
化学反応によって環境に熱が放出されるため、値は負になります。
発熱反応の例
燃焼
日常生活で遭遇する最も明白で一般的な種類の発熱反応は燃焼です。燃焼とは、酸化生成物を生成する高温の発熱反応を指します。燃焼には酸素と熱が必要です。たとえば、天然ガス (メタン) の燃焼反応は次のとおりです。
CH4 [g] + 2 O2 [g] -> CO2 [g] + 2 H2 O[g] + エネルギー。
この反応中に、反応物の炭化水素結合と酸素結合が切断されます。反応物である酸素分子の二重結合は、二酸化炭素と水生成物の単結合よりもはるかに弱いため、反応によって大量の熱が環境に放出されます。非常に多くの場合、燃焼反応から生成される熱は、反応を自己触媒するのに十分であるため、反応物がなくなるまで燃焼が続きます。
利用可能な酸素の量に応じて、燃焼反応は完全または不完全になります。完全な燃焼反応では、単位反応あたり二酸化炭素分子を生成するのに十分な酸素があります。不完全燃焼反応では、酸素が不足すると、有毒ガスである一酸化炭素が生成されます。不完全燃焼の生成物は、大気中のガスと反応して、硝酸塩と硫酸塩の雨を生成することもあります.
テルミット
テルミットは、金属粉末と金属酸化物の火工品組成物です。最も一般的な種類のテルミットは、酸化鉄 (III) (Fe2) でできています。 O3 ）とアルミニウムですが、酸化ホウ素、酸化銅、または酸化鉛を使用する品種もあります。反応物は室温では安定していますが、加熱すると、テルミットは非常に激しい発熱反応を起こし、大量の熱を放出します。酸素は鉄よりもアルミニウムとより安定した結合を形成するため、組成物が加熱されると、アルミニウムは鉄から酸素を奪い、化学結合に蓄えられたエネルギーを放出します。酸化鉄(III)を使用したテルミット反応の一般式は次のとおりです。
Fe2 O3 + 2 アル → 2 鉄 + アル2 O3 .
テルミット反応は非常に熱く燃えます。いくつかの種類のテルミットでは最高 2500°C です。この高熱反応には多くの産業用途があり、そのほとんどが金属の加工に関係しています。テルミット反応は、安定した高温反応が金属を接合するのに十分な熱を生成するため、溶接目的で一般的に使用されます。テルミットは、放出された熱が溶接トーチの周りにガスの泡を作るため、水中での溶接にも使用できます。テルミット反応は、元素のサンプルを精製するためにも使用できます。変更されたテルミット反応は、マンハッタン計画で使用されるウランを生成するために使用されました。
核分裂
核分裂は、重い原子の原子核が分裂して軽い元素を生成し、エネルギーを放出する特殊なタイプの発熱反応です。核分裂中、エネルギーは、熱、運動エネルギー、ガンマ光子 (高エネルギー放射線の一種) の形で放出されます。核分裂反応は非常に強力で、核兵器や原子炉の根底にあるメカニズムです。化学結合の切断と新しい化学結合の形成を伴う他の種類の発熱反応とは異なり、核分裂反応は核の切断の結果です。 債券;原子核内の粒子間の結合。これらの結合は非常にエネルギーが高いため、切断されると大量のエネルギーが放出されます。
核分裂は、生成物が元の原子とは異なる元素であるため、核変換の一形態です。一般に、生成される核は同様の原子サイズであり、通常は原子質量の比率が 3:2 です。残念なことに、これらの生成物はほとんどの場合非常に放射性が高く、核分裂反応の廃棄物を保管する際に問題が生じます。
一部の元素、特に原子番号の大きい元素は自発的に分裂しますが、通常、分裂には外部からのエネルギーの入力が必要です。原子炉や爆弾では、重い原子核に自由中性子が衝突し、原子核がバラバラになります。結果として生じる核分裂反応により、より多くの中性子が放出されます。利用可能な反応物が十分にあり、十分に囲まれた空間に十分な中性子がある場合、自己持続的な核連鎖反応が発生します。自己持続的な核分裂反応に必要な反応物質の質量は、その「臨界質量」と呼ばれます。
