Enthalpy変化の分析による変換の実現可能性

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システム全体の熱量はエンタルピーと呼ばれます。エンタルピー変化とは、一定の圧力での反応で吸収または放出される熱の量です。エンタルピー変化の記号はデルタ H です。熱が吸収されると、エンタルピーの変化は正になります。熱が放出されると、エンタルピーの変化は負になります。

標準エンタルピー変化とは、標準状態の純粋な元素から物質 1 モルが形成されるときのエンタルピーの変化です。標準状態は、圧力が 1 気圧、温度が 29815 ケルビンです。反応の標準エンタルピー変化は、生成物の標準生成エンタルピーの合計から反応物の標準生成エンタルピーの合計を引いたものに等しくなります。

プロセスにおけるエンタルピーの変化を計算してみましょう。メタノールはホルムアルデヒドと水素ガスに変換されます。このプロセス中のエンタルピー変化は、次の方法で計算できますまず、図に示されているメタノール、ホルムアルデヒド、水素ガスの燃焼熱を見つける必要がありますここで、メタノールがホルムアルデヒドと水素ガスに変換される際のエンタルピー変化を決定します。

まず最初に、主な反応に従ってこれらの方程式を並べ替えます。メタノールは反応物側にあるのでメタノールの燃焼式をそのまま書きます主反応では 1 モルのメタノールが消費されますが、燃焼反応ではモルのメタノールが消費されます。メタノール燃焼方程式全体を2で割ります。また、図に示すように、燃焼熱を 2 で割ります。

ホルムアルデヒドは主反応では生成物側にありますが、燃焼反応では反応物側にあるためです。ホルムアルデヒドの燃焼反応について考えてみます。式を反転させるときは、反応熱のプラスマイナスの符号も反転させます。与えられた図からわかるように、主反応と燃焼反応には 1 モルのホルムアルデヒドが存在します。

水素の燃焼については、主反応では生成物側に水素ガスがあり、燃焼では反応物側に水素ガスがあることがわかります。燃焼熱に沿って燃焼方程式を反転してみましょうその後、主式には 1 モルの水素ガスがあり、燃焼式には 2 モルの水素ガスがあるため、燃焼式を 2 で割ります。

燃焼反応を整理した後、これらの反応と燃焼熱を合計して、最終反応とエンタルピー値の変化を取得します図から、メタノールをホルムアルデヒドと水素ガスに変換する際のエンタルピーの変化は +86 kJ であることがわかります。

エンタルピー図は、反応のエンタルピーの変化を表します。反応は発熱反応または吸熱反応になりますx軸には反応の過程が示されています。 Y軸にはエンタルピーの変化が示されます次に、炭素と水素からベンゼンが形成される際のエンタルピーの変化を計算してみましょうここで、主な反応における反応物と生成物の燃焼反応を書き、エンタルピーの変化を計算するためのサイクルを描きます。

1 モルの炭素の燃焼熱は -394 kJ で、1 モルの水素の燃焼熱は -286 kJ です。反応物には炭素が 6 モル、水素が 3 モル含まれているため、燃焼熱を 6 倍、3 倍して足し合わせますここで、デルタ H2 が -3268kJ であることがわかります。燃焼熱の方程式とプラスマイナスの符号を反転して、製品へのサイクルを完了します。

ここで、デルタ H2 とデルタ H3 を追加して、反応のエンタルピー変化を取得します。エンタルピーサイクルも描きますエンタルピーサイクルは、デルタ H3 プロセスが発熱性であり、デルタ H2 プロセスが吸熱性であったことも示しています。これら両方の値を加算すると、反応のエンタルピー変化値が得られます。炭素と水素からベンゼン 1 モルを生成する際のエンタルピー変化は +46 kJ です。

標準溶解エンタルピーは実験的に測定できます。まず、プラスチックカップを用意し、そこに溶剤を入れて完全に覆います。次に温度計を入れて初期温度を測定します。その後、秤量した量の溶質を溶媒に入れ、完全に溶解するまでかき混ぜます。次に最終温度を測定します。その後、温度の変化を測定します。次に、質量、溶媒の比熱容量、温度を図に示した式に代入し、溶液の熱 q を計算します。溶媒の質量は、密度と使用量を掛け合わせることで求められます。発熱反応または吸熱反応になります次に、溶質の質量を溶質のモル質量で割って、溶質のモル数を求めます最後に、溶解熱の値を、取り込んだ溶質のモル数で割ります。得られた答えは、その溶質の標準溶解熱です。

中和エンタルピーは、標準条件下で酸の水溶液と塩基の水溶液の反応によって 1 モルの水が生成されるときに吸収または放出される熱の量です中和エンタルピーは実験的に決定することができます。まず、発泡スチロールのカップを用意し、そこに塩基の水溶液を入れます。次に温度計を入れて初期温度を測定します。カップを完全に覆いますそこに酸の溶液を入れます。次に最終温度を測定します。温度の変化を計算します。次に、図に示した式に溶液の質量の比熱容量と温度変化の値を入力し、放出される熱量を求めます。最後に、中和反応で生成された水のモル数を求めます。溶液の熱を生成された水のモル数で割ります。最終的な結果の値は中和エンタルピーになります。

標準条件下で、より電気陽性度の高い金属が塩溶液から 1 モルの金属を置換すると、エンタルピーの変化が発生します。このエンタルピーの変化は置換エンタルピーと呼ばれます亜鉛金属を硫酸銅溶液と反応させると、銅が亜鉛金属に置き換えられます。このプロセス中のエンタルピー変化は -210 kJ/mol です。これは置換エンタルピーです。

ここで、硫酸銅溶液中の銅イオン 1 モルがマグネシウム金属によって置換されるエンタルピーを実験的に決定します。私たちはプラスチックのコップを使います。それから温度計を入れます。その後、50 センチメートルの立方体の 01 モル硫酸銅溶液を入れ、2 分間初期温度を測定します。初期温度を書き留めます。次にマグネシウム粉末を2グラム入れます。混合物をかき混ぜ、しばらくしてから最終温度を記録します。

ここで、初期温度値と最終温度値を書き留め、温度の変化を測定しますその後、使用した硫酸銅溶液のモル数から銅のモル数を求めます。次に、エンタルピーの変化を式 delta H で求めますこれは、質量と熱容量 c とシータの積に等しいです。シータは温度の変化を表します。

001 モルの銅の置換に対するエンタルピーの変化を取得します。最後に、銅 1 モルの置換に対するエンタルピーの変化を求めます。すべての計算は図に示されています.

標準条件下で純粋な元素から 1 モルの化合物が形成されると、エンタルピー変化が発生します。このエンタルピーの変化は標準生成エンタルピーと呼ばれます。これは∆Hf で表されます標準生成エンタルピーの式を書くときは、常に生成物の側に化合物の 1 モルを書く必要があります。反応物側の係数を分数で書く必要がある場合は、まったく問題ありません。

水の生成エンタルピーの例を見てみましょう。 1 モルの水は水素ガスと酸素ガスから生成されます。このプロセスでエネルギーが放出されます。このプロセスでは、1 モルあたりマイナス 296 キロジュールの熱が放出されますこれは発熱プロセスであり、その過程で熱が放出されますこの熱は標準生成エンタルピーと呼ばれます。

別の例では、炭素が酸素と反応してベンゼンが形成されます。ご覧のとおり、ベンゼン 1 モルが生成されます。このプロセスでエネルギーが吸収されますこの吸収されたエネルギーは生成エンタルピーと呼ばれます。

標準条件下で酸素中で化合物 1 モルを燃焼すると、エンタルピーが変化します。このエンタルピーの変化は標準燃焼エンタルピーと呼ばれます。示されている図では、酸素の存在下で 1 モルの水素を燃焼させて水を形成しています。この反応の標準燃焼エンタルピーは、1モルあたりマイナス286キロジュールです。

別の例では、エタンを燃焼しています。エタンの標準燃焼エンタルピーは -1560kJ/mol です燃焼エンタルピーの式を書くときは、酸素が分数で書かれていても、燃焼する化合物を 1 モルとして書きます。さらに、反応物と生成物は標準状態で記述されます。たとえば、水は標準状態では液体として存在します。したがって、水は液体（l）と書きます。

エタノールが酸素の存在下で燃焼すると、二酸化炭素と水が生成されます。このプロセスでは -13668 kJ/mol の熱が放出されます。この熱は標準燃焼エンタルピーと呼ばれます。反応は 1 気圧および 29815 ケルビンの温度の標準条件下で起こります。

分子内の原子間の結合に蓄えられたエネルギーを結合エンタルピーと呼びます。結合解離エンタルピーは、分子内の 2 つの原子間の結合のホモリシス開裂に追加されるエンタルピーの量です与えられた図では、分子 AB 間の結合が対称的に切断されています。その結果、ラジカルが形成されますこの結合を切断するにはエンタルピーが必要です。

水素分子内の 2 つの水素原子間の結合を対称的に切断するには、エンタルピー 1 モルあたり 436 キロジュールが必要です結合を切断するために必要なこのエンタルピーは、結合解離エンタルピーと呼ばれます結合が切断されると水素ラジカルが形成されます。

プロピレン-1では、二重結合は2つの炭素原子間で対称的に切断されます。この結合を切断するために必要なエンタルピーは 1 モルあたり 610 キロジュールですその結果、ラジカルが形成されますこのエンタルピーは結合解離エンタルピーと呼ばれます。

標準条件下で酸溶液と塩基溶液を反応させて 1 モルの水を生成すると、エンタルピー変化が起こります。このエンタルピー変化は標準中和エンタルピーと呼ばれます酸が塩基と反応すると塩と水が形成されます。この反応は中和反応と呼ばれます水溶液中の水酸化ナトリウムと水溶液中の塩酸を反応させて、塩化ナトリウム水溶液と 1 モルの水を形成します。このプロセスにおけるエンタルピー変化は -579 kJ/mol ですこれは標準中和エンタルピーと呼ばれます。このプロセスで熱が放出されます。

標準条件下で 1 モルの溶質が水に溶解したときに放出または吸収されるエネルギーの量を標準溶媒和エンタルピーと呼びます1 モルの固体塩化アルミニウムを水に溶かすと、-37363 kJ の熱が放出されます。塩化アルミニウムの標準溶媒和エンタルピーは -37363 kJ/mol です。

標準条件下で 1 モルの気体イオンを十分な量の水に溶解して無限希薄溶液を形成するときに発生するエンタルピー変化を標準水和エンタルピーと呼びます無限希薄溶液とは、水を加えて溶液をさらに希釈してもエンタルピーに変化がないことを意味しますこれは∆Hhydで表されます示されている図では、M+ は気体状態にあり、水を加えると水溶液状態になります。

Na+イオンのエンタルピー変化は -405 kJ/mol です気体状態のナトリウムイオンは水に溶解します。すると水性状態になります。同様に、気体状態のリチウムイオンは、無限希釈を形成するのに十分な量の水に溶解します。リチウムイオンの標準水和エンタルピーは -520 kJ/mol です。

標準溶解エンタルピーは、標準条件下で 1 モルの溶質が溶媒に完全に溶解したときに放出または吸収されるエネルギーまたは熱の量です。これは∆Hsoln で表されます。 kJ/mol 単位で測定されます溶液の熱を溶解した溶質のモル数で割ることで計算できます。塩化アンモニウムの溶解エンタルピーは+1478 kJ/molです。これは、1 モルの塩化アンモニウムが溶媒に完全に溶解すると、1478 キロジュールの熱が吸収されることを意味します。

ヘスの法則は、反応が一連のステップで実行できる場合、各ステップのエンタルピーの合計が全体の反応のエンタルピー変化に等しくなるはずであると述べていますこの法則を検証するには、まず炭素と水素がエチレンガスに変換されるエンタルピーを測定します。この反応は一連のステップで記述できます。各ステップのエンタルピーは熱量計を使用して実験的に測定されます。また、主な反応のエンタルピー値を実験的に測定したところ、+224 kJ/mol でした。しかし、ヘスの法則を使用して主反応のエンタルピーの変化を見つけます。ここで、個々の反応のエンタルピーを加算します。各反応ステップのエンタルピーを加えた後の最終エンタルピーは +2267kJ であり、これは主な反応の実験的に測定された値に非常に近い値です。これはヘスの法則を証明します。

ボルン・ハーバーサイクルを用いたイオン系の安定性