２００４年５月６日（木）04ko2-04　生成熱と結合エネルギー

今日は，生成熱や結合エネルギーについて学びましょう。 　今日の勉強の具体的な内容は， （１）生成熱 （２）結合エネルギー です。 　生成熱とは，物質１molがその成分元素の単体から生成するときの反応熱のことです。単体の生成熱は０ｋJ/molとすることに注意してください。反応熱は，その反応に関係する物質の生成熱から，ヘスの法則に基づいて計算することができます。 　結合エネルギーは，共有結合を切るために必要なエネルギーです。この結合エネルギーを使っても，反応熱を求めることができます。

４　生成熱と結合エネルギー （１）生成熱 　物質１molがその成分元素の単体から生成するときの反応熱 　生成物の生成熱をａ ｋＪ 　反応物の生成熱をｂ ｋＪ　とすると， 　反応物から生成物の変化するときの反応熱は 　ａ −ｂ 〔ｋＪ〕になる 　すなわち， 　反応熱＝生成物の生成熱の和−反応物の生成熱の和 ＜例１＞黒鉛と水蒸気の反応 　Ｃ（黒鉛） ＋ Ｈ２Ｏ（気） ＝ ＣＯ（気） ＋ Ｈ２（気） ＋ Ｑ ｋＪ １．反応物の生成熱 　単体の生成熱は，その定義から０である。したがって，黒鉛は単体だから，水の生成熱だけを考える。 　水（気体）の生成熱は２４２ｋＪだから熱化学方程式は， 　Ｈ２（気）　＋　１/２Ｏ２（気）　＝　Ｈ２Ｏ（気）　＋　２４２ｋＪ ２．生成物の生成熱 　水素は単体だから，一酸化炭素の生成熱だけを考える。 　一酸化炭素の生成熱は１１１ｋＪだから熱化学方程式は， 　Ｃ（固）　＋　１/２Ｏ２（気）　＝　ＣＯ（気）　＋　１１１ｋＪ ３．生成熱から反応熱を求める 　反応熱＝生成物の生成熱の和−反応物の生成熱の和だから， 　Ｑ ＝１１１−２４２ 　　 ＝−１３１〔ｋＪ〕

分子内の共有結合を切るのに要するエネルギーをその結合の結合エネルギーといいます。単位はｋＪ/molです。多くの結合の結合エネルギーが求められていますが，異なる化合物から求めた結合エネルギーの値は，必ずしも一致しません。例えば，Ｃ＝Ｏの結合エネルギーは，ケトン類（詳しくは有機化学で）と二酸化炭素では異なります。注意して下さい。結合エネルギーからも，ヘスの法則に基づいて生成熱を計算で求めることができます。

（２）結合エネルギー 　共有結合を切るとき必要なエネルギー 　結合１molあたりの値で示す 　生成物の結合エネルギーをａ ｋＪ 　反応物の結合エネルギーをｂ ｋＪ　とすると， 　反応物から生成物の変化するときの反応熱は 　ａ −ｂ 〔ｋＪ〕になる 　すなわち， 　反応熱＝生成物の結合エネルギーの和−反応物の結合エネルギーの和　 ＜例２＞メタンの燃焼 　ＣＨ４（気）＋２Ｏ２（気）＝ＣＯ２（気）＋２Ｈ２Ｏ（気）＋Ｑ ｋＪ １．反応物の結合エネルギー 　C-H（CH４）の結合エネルギーは４１６ｋJであり，C-H結合は４個あるから，熱化学法的式は 　ＣＨ４　＝　Ｃ　＋　４Ｈ　−　４×４１６ｋＪ 　Ｏ＝Ｏの結合エネルギーは４９８ｋＪであり，Ｏ２が２分子必要だから，熱化学方程式は 　２Ｏ２　＝　４Ｏ　−　２×４９８ｋＪ ２．生成物の結合エネルギー 　Ｃ＝Ｏ（ＣＯ２）の結合エネルギーは８０４ｋＪであり，Ｃ＝Ｏ結合は２個あるから，熱化学方程式は 　ＣＯ２　＝　Ｃ　＋　２Ｏ　−　２×８０４ｋＪ 　Ｏ−Ｈ（Ｈ２Ｏ）の結合エネルギーは４６３ｋＪであり，Ｏ−Ｈ結合が２個，Ｈ２Ｏが２分子だから，熱化学法的式は 　２Ｈ２Ｏ　＝　４Ｈ　＋　２Ｏ　−　２×２×４６３ｋＪ ３．結合エネルギーから反応熱を求める 　反応熱＝生成物の結合エネルギーの和−反応物の結合エネルギーの和だから， 　Ｑ ＝（２×８０４＋２×２×４６３）−（４×４１６＋２×４９８） 　　　 ＝（１６０８＋１８５２）−（１６６４＋９９６） 　　　＝３４６０−２６６０ 　　　＝８００〔ｋＪ〕

それでは，今日の勉強の確認です。 １．生成熱について説明しなさい。→物質１molが，その成分元素の単体から生成するときの反応熱。 ２．反応熱と，生成物の生成熱の和と，反応物の生成熱の和の関係はどのようになりますか？→反応熱＝生成物の生成熱の和−反応物の生成熱の和 ３．次式のＱの値を求めなさい。Ｃ（固）＋Ｈ２Ｏ（気）＝ＣＯ（気）＋Ｈ２（気）＋ＱｋＪ ただし，Ｈ２Ｏ（気）の生成熱を２４２ｋＪ/mol，ＣＯ（気）の生成熱を１１１ｋＪ/molとします。→反応熱Ｑ＝生成物の生成熱の和−反応物の生成熱の和＝（１１１＋０）−（０＋２４２）＝−１３１〔ｋＪ〕 ４．結合エネルギーについて説明しなさい。→共有結合を切るとき必要なエネルギー。 ５．生成物の結合エネルギーと，反応物の結合エネルギーと，反応熱の関係はどのようになりますか？→生成物と反応物の結合エネルギーの差が，反応熱と等しくなります。 ６．次式のＱの値を求めなさい。Ｈ２＋Ｃｌ２＝２ＨＣｌ＋Ｑ ただし，Ｈ-Ｈの結合エネルギーを４３６ｋJ/mol，Ｃｌ-Ｃｌの結合エネルギーを２４３ｋＪ/mol，Ｈ-Ｃｌの結合エネルギーを４３２ｋＪ/molとします。→１molの水素分子を２molの水素原子にするのに４３６ｋJが必要だから，Ｈ２＝２Ｈ−４３６ｋＪ　と表すことができますね。同様に，Ｃｌ２＝２Ｃｌ−２４３ｋＪ　と表すことができます。一方，２molのＨ原子と２molのＣｌ原子から２molのＨＣｌ分子ができるとき，２×４３２ｋＪのエネルギーを放出しますから，２Ｈ＋２Ｃｌ＝２ＨＣｌ＋２×４３２ｋＪ　と表すことができますね。したがって，３つの熱化学方程式をたすと，Ｈ２＋Ｃｌ２＝２ＨＣｌ＋１８５ｋＪ　となります。 ７．過酸化水素の構造式はＨ-Ｏ-Ｏ-Ｈと示される。過酸化水素の生成熱を１４３ｋＪ/molとし，また，Ｈ２（気），Ｏ２（気），Ｏ-Ｈの結合エネルギーをそれぞれ４３６ｋＪ/mol，４９８ｋJ/mol，４６３ｋJ/molとして，過酸化水素の-Ｏ-Ｏ-結合の結合エネルギーを求めなさい。→過酸化水素の生成熱が１４３ｋＪ/molだから，熱化学方程式は次の（１）式になります。 Ｈ２（気）　＋　Ｏ２（気）　＝　Ｈ２Ｏ２（気）　＋　１４３ｋＪ　…（１） また，Ｈ２（気），Ｏ２（気），Ｏ-Ｈの結合エネルギーは，それぞれ４３６ｋＪ/mol，４９８ｋJ/mol，４６３ｋJ/molだから，熱化学方程式は（２）〜（４）のようになります。 Ｈ２（気）　＝　２Ｈ（気）　−　４３６ｋＪ　…（２） Ｏ２（気）　＝　２Ｏ（気）　−　４９８ｋＪ　…（３） Ｏ-Ｈ　＝　Ｏ（気）　＋　Ｈ（気）　−　４６３ｋＪ　…（４） （２）＋（３）−（１）より， Ｈ２Ｏ２（気）　＝　２Ｈ（気）　＋　２Ｏ（気）　−　１０７７ｋＪ Ｈ-Ｏ-Ｏ-Ｈの全結合エネルギーのうちで，２個のＯ-Ｈ結合の結合エネルギーは，４６３×２＝９２６〔ｋＪ〕だから，-Ｏ-Ｏ-結合の結合エネルギーは，１０７７−９２６＝１５１〔ｋＪ〕です。 　ヘスの法則が理解できていないと，今日の内容は難しいですね。必要に応じて，ヘスの法則から復習して下さい。それと，計算練習を数多くこなすことが必要です。