反応のエンタルピー変化は、反応が一定の圧力で発生した場合、反応が発生したときに吸収または放出される熱の量です。特定の状況と入手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、ヘスの法則を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がわかっていれば、計算ははるかに簡単になります。
TL;DR (長すぎる; 読んでいない)
単純な式を使用してエンタルピーの変化を計算できます:ΔH =Hproducts − 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) と圧力 (P) と体積 (V) の積の合計です。記号では、これは次のとおりです:
H =U + PV
したがって、エンタルピーの変化 (ΔH) は次のようになります。
ΔH =ΔU + ΔPΔV
ここで、デルタ記号 (∆) は「変更」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示されます。
ΔH =ΔU + PΔV
ただし、圧力が一定の場合、エンタルピーの変化は単純に伝達される熱 (q) です。
ΔH =q
(q) が正の場合、反応は吸熱反応 (つまり、周囲から熱を吸収する) であり、負の場合、反応は発熱反応 (つまり、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、または一般的にはエネルギー/質量です。上記の方程式は、熱流とエネルギーの物理学、つまり熱力学に実際に関連しています。
単純なエンタルピー変化計算
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。これらの量がわかっている場合は、次の式を使用して全体的な変化を計算してください:
ΔH =H製品 − H反応物
塩化ナトリウムを形成するための塩化物イオンへのナトリウムイオンの付加は、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、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 (食卓塩) のエンタルピーは -411 kJ/mol です。これらの値を挿入すると:
△ヘ =−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、塩の形成は、1 モルあたり約 4 kJ のエネルギーを放出します。
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き、これらの変化に関与する特定のエンタルピーがあります。融解のエンタルピー (または潜熱) は、固体から液体への遷移を表し (逆はこの値を差し引いたもので、融解エンタルピーと呼ばれます)、気化のエンタルピーは液体から気体への遷移を表します (反対は凝縮です)。昇華のエンタルピーは、固体から気体への遷移を表します (逆もまた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 ∆Hmelting です =6.007 kJ/モル。氷を 250 ケルビンから溶けるまで加熱し、次に水を 300 K に加熱すると想像してください。加熱部分のエンタルピー変化は必要な熱だけであるため、以下を使用して見つけることができます。
ΔH =nCΔT
ここで、(n) はモル数、(ΔT) は温度変化、(C) は比熱です。氷の比熱は 38.1 J/K mol で、水の比熱は 75.4 J/K mol です。したがって、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:
ΔH =nCΔT
=5 mol × 38.1 J/K mol × 23 K
=4.382kJ
次に、融解エンタルピーにモル数を掛けます:
ΔH =n ΔH融解
=5 モル × 6.007 kJ/モル
=30.035kJ
気化の計算は、融解エンタルピーの代わりに気化エンタルピーを使用する以外は同じです。最後に、最初と同じ方法で最終的な加熱段階 (273 から 300 K まで) を計算します。
ΔH =nCΔT
=5 mol × 75.4 J/K mol × 27 K
=10.179kJ
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:
ΔHtotal =10.179 kJ + 30.035 kJ + 4.382 kJ
=44.596kJ
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、反応が物質から別の物質に変化する場合、反応が 1 つのステップで発生する (反応物がすぐに生成物になる) か、それとも多くのステップを経るか (反応物が中間体になり、その後生成物になる) かは問題にならないことを意味します。どちらの場合も同じです。
通常、この法則を使用するには、図を描くことが役に立ちます (「参考文献」を参照)。一例として、3 つの水素と結合した 6 モルの炭素から開始すると、それらは燃焼して中間段階として酸素と結合し、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に対する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) であり、二酸化炭素と水の中間体は ∆H =+3,267 kJ/mol のエンタルピー変化でベンゼンになります。
これらの変化の合計を取って、総エンタルピー変化を見つけます。それぞれに、反応の最初の段階で必要なモル数を掛けることを忘れないでください:
ΔHtotal =6×(−394) + 3×(−286) +3,267
=3,267 − 2,364 - 858
=45 kJ/mol
