生成熱の定義

生成熱は、生成エンタルピーまたは標準生成エンタルピーとも呼ばれ、標準状態、つまり、 25 °C で最も安定した自然な形。この意味で、生成熱は、25 °C で行われる化学反応の生成物と反応物のエンタルピー差を表し、唯一の生成物は目的の物質 1 mol であり、反応物または反応物は要素です。前記温度で最も安定した自然状態で前記物質を構成する。

生成エンタルピーは記号 Δ _f H° _Xで表されます。ここで、f は物質 X の生成エンタルピーであることを示し (X は化学式または生成される物質の名前に対応します)、記号 ° は標準的な反応条件を表すために使用されます。この場合、T = 25 °C または 298.15 K です。

たとえば、水の生成熱は Δ _f H° _H2Oで表され、25 °C で行われる次の反応のエンタルピー差に対応します。

グッド プラクティス ノート:過去には、形成のエンタルピーまたは熱を表すときに、形成の f を H の添え字として配置することが一般的でした (つまり、ΔH _f ° _X )。ただし、エンタルピー (H) は物質の特性であり、物質の形成過程の特性ではないため、概念的にはこれは間違いです。そのため、文字 f を付けるべきではありません。一方、最終状態と初期状態の差を表す記号 Δ (デルタ) は、形成プロセスに関連しているため、現在は f が下付き文字として配置されています。

形成反応

以上が生成反応（水の生成反応）の一例です。形成反応を認識するために考慮すべき重要な詳細は次のとおりです。

• 製品は 1 つだけです (この場合は H ₂ O)。
• 製品の化学量論係数は 1 でなければなりません。
• 反応物はすべて、化合物ではなく、元素物質 (この場合は水素と酸素) でなければなりません。
• 存在する各反応物の同素体は、標準的な条件下で最も安定な同素体に対応する必要があります (元素水素の場合は分子状水素ガスであり、酸素の場合は分子状酸素ガスです)。

標準状態のアイテム

標準的な条件下でそれぞれ最も安定した自然状態にある要素の例を次に示します。

エンタルピーとは？

エンタルピーは、化合物、ピストン内の加圧ガス、星の周りを周回する惑星などのシステムを特徴付ける状態関数です。この特性は記号 H (英語の heat に由来する) で表され、熱力学的観点からは、システムの内部エネルギー (U) とその圧力の積の合計として定義されます。 . とそのボリューム (製品 PV)。つまり、次のようになります。

理想気体などの非常に単純なシステムを除いて、絶対エンタルピー (H) は実験的に測定することも、簡単に計算することもできません。これは、比較的複雑なシステムの場合、システムを構成する粒子間の相互作用から生じる変数が多すぎるため、内部エネルギー (U) の決定が非常に複雑になるためです。

ただし、次のセクションで説明するように、さまざまなプロセス中のエンタルピーの変化を実験的に測定することができます。これにより、形成エンタルピーが重要な役割を果たす相対エンタルピー値を確立できます。

反応熱ですか、それとも反応エンタルピーですか？

エンタルピーの熱力学的定義 (H=U+PV) により、一定圧力で実行されるプロセスのエンタルピー変化 (ΔH) は、そのプロセス中にシステムによって放出または吸収される熱に等しいことを数学的に示すことができます。プロセス。つまり、一般的には次のとおりです。

ここで、Q _{P は}定圧での熱を表します。つまり、H は測定できませんが、熱は測定できるので、ΔH は測定できます。電圧計で直接測定することはできませんが、電圧差 ΔV を測定することはできます。これにより、相対エンタルピー スケールを確立する可能性が開かれます。ただし、ゼロの値を関連付ける基準システムを見つけたり定義したりすることができます。

電圧の場合、ゼロは通常接地電圧です。エンタルピーの場合、ゼロは標準状態の純元素または 25°C で最も安定した自然同素体で構成されます。

プロのヒント:形成反応としてプロセスのエンタルピーを参照する正しい方法は、ΔH であるため、「エンタルピー変化」である必要があります。これにより、絶対エンタルピーやHと区別することができます。しかし、生成反応は明らかに初期状態から最終状態への変化の過程であるため、「変化」という言葉は言うまでもありません。したがって、プロセスのエンタルピーについて話すときはいつでも、ΔH の値について話しているのに対し、特定の状態の純粋な物質としてのシステムのエンタルピーについて話すときは、絶対エンタルピー (H ) を指します。 .

生成熱の単位

エンタルピーはエネルギーと PV 積の合計であり、さらに、エンタルピーの差は定圧での熱も表すため、生成熱の単位は 1 モルあたりのエネルギーの単位 ([エネルギー]/mol または [エネルギー].mol) です。^-1 )。ほとんどの場合、単位は kJ.mol ^-1ですが、場合によっては kcal.mol ^-1も使用されます。

生成熱はどのように測定されますか?

化学物質の生成熱は、ほとんどの場合、生成反応を実行できないため、通常は直接測定されません。水素ガスの燃焼による水の形成や、カーボングラファイトの燃焼による二酸化炭素の形成など、実験室で実行できる形成反応はほんの一握りです。

しかし、グラファイト炭素と水素からベンゼンのような化合物を直接生成することはできません。この問題の解決策は、ヘスの法則にあります。代わりに行われるのは、その物質が関与する反応の熱が測定され、その生成エンタルピーがわかっている物質も含まれるということです。非常に一般的な例は、燃焼反応を使用することです。なぜなら、酸素生成のエンタルピーは定義によりゼロであり、水と二酸化炭素のエンタルピーは、今説明したように直接測定できるからです。

例：

_{ベンゼン (C 6} H ₆ )の生成熱を求めたいとします。この場合、化学式が以下に示されるベンゼンの燃焼を実行し、反応のエンタルピーを測定します。

_{次に、ヘスの法則と CO 2}と H ₂ Oの生成熱を使用すると、ベンゼンの生成熱は次のようになります。

しかし、燃焼などの反応のエンタルピーはどのように測定されるのでしょうか? これは、熱量測定と呼ばれる技術を使用して行われます。

熱量測定

反応エンタルピーは、熱量測定によって測定されます。この手法は、既知の全熱容量(C _Cal )の熱量計内で化学反応を実行し、反応によって放出または吸収された熱による熱量計の温度変化を測定することで構成されます (ΔT = T f _– T_私）。この温度変化は、次の式を使用して熱量計によって放出または吸収される熱量 (反応によって吸収または放出される熱の負の値) を計算するために使用されます。

熱量計には、一定の圧力で動作するものと一定の体積で動作するものの 2 つの主なタイプがあります。定圧熱量測定の場合、前の式に従って計算された熱は、反応のエンタルピーを直接測定します (Q _r = Δ _r H° = – Q _Cal。定圧でのプロセスのエンタルピーは熱に等しいことに注意してください。当該プロセスの）。ただし、この手法の実装は必ずしも容易ではありません。

定容熱量計は、より一般的で操作が簡単です。次の図は、その部品を示す典型的な定容熱量計の概略図を示しています。

定容熱量計で測定される熱は、エンタルピーではなく、反応によるシステムの内部エネルギーの変化を表します。ただし、これは次の式による反応のエンタルピーに関連しています。

ここで、Δ _r n_ガスは、関与する化学反応の生成物と反応物との間のガスのモル数の変動を表します。この式から、反応のエンタルピーは次のように得られます。

生成エンタルピーまたは生成熱は何に使用されますか?

#1 反応エンタルピーを決定するために使用されます。

エンタルピーは、エンタルピーが状態関数であるという事実を表現する方法であるヘスの法則に従います。この法則は、「化学反応中に反応物が生成物に変換されるとき、反応が一段階で行われたか多段階で行われたかに関係なく、エンタルピー変化は同じです。言い換えれば、ヘスの法則は、エンタルピーの変化は、反応物から生成物に到達するまでの経路とは無関係であると述べています。

ヘスの法則の 1 つの結果は、存在する任意の化合物の形成反応を書くことができ、形成反応を意のままに操作できるので、変化が修正された反応のエンタルピーに反映される限り、次のエンタルピーを書くことができるということです。反応に関与する反応物および生成物の形成のエンタルピーに関する化学反応。一般に、次のような一般的な反応については、次のように記述できます。

反応のエンタルピー (Δ _r H°) は、

または、より一般的には：

ここで、ν _jとν _{i は}それぞれ各生成物と反応物の化学量論係数を表し、Δ _f H _j ° と Δ _f H _i ° はそれぞれ各生成物と反応物の生成熱を表します。

注※2 化学物質の標準状態における相対エンタルピーの値を表します。

前述したように、25 °C での標準状態または最も安定した天然同素体の純粋な元素は、相対エンタルピー スケールを決定するための基準点を表します。これは、形成反応の定義が与えられた場合、最も安定な自然状態での純粋な元素の形成エンタルピーはゼロでなければならないためです。これは、それらの形成反応が同じ反応物と同じ生成物を持っているためです (それはヌル反応になります)。

この形成反応は実際には状態の変化を伴わないため、両方の状態が等しいため、この反応のエンタルピー (最終エンタルピーから初期エンタルピーを引いた値) はゼロでなければなりません。

たとえば、25°C での酸素ガスの生成反応は次の式で与えられます。

次に、酸素生成のエンタルピーに等しくなければならないこの反応のエンタルピーは、次のように与えられます。

これにより、前に見たように反応のエンタルピーを測定できます。

同様の推論に従って、最も安定した自然状態での元素の絶対エンタルピーをゼロと定義することもできます。そうすることで、さまざまな物質の形成エンタルピー (Δ f H X °) は、下の物質の相対エンタルピーになり_ます。標準状態 (H _X °)。

たとえば、上記の水の生成の場合:

水素と酸素のエンタルピーをゼロと定義すると、水の生成エンタルピーは、この相対スケールで水の標準エンタルピーに等しいことがわかります。

このエンタルピーは非常に重要です。なぜなら、エンタルピーの変化を計算または測定することで、標準状態にあるこれらの相対エンタルピーを他の条件セット (たとえば、他の温度または他の圧力) の相対エンタルピーに変換できるからです。これは、非標準条件下での化学反応と相変化のエネルギー交換を研究するのに特に役立つため、水やその他の溶媒、燃料物質、その他の化学物質など、一般的に使用される物質のエンタルピー テーブルを取得するのが一般的です。および圧力、すべて生成エンタルピーから計算されます。

参考文献

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