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理科 2年

化学かがく変化へんかと熱ねつ (発熱はつねつ反応はんのう・吸熱ねつ反応はんのう・鉄てつの燃焼ねんしょう)

最終確認日:

この章しょうで学まなぶこと

Ch3 で化学かがく変化へんかの 4 パターンを学まなびました。 この章しょうでは、 化学かがく変化へんかが起おこるときに 熱ねつが出でたり (発はつ熱ねつ)、 熱ねつを吸すったり (吸熱ねつ) する現げん象しょうに注ちゅう目もくします。 カイロや冷れい却きゃく剤 (ひやろんのようなもの) のしくみを化学かがくで説せつ明めいします。

  • 発熱反応はつねつはんのう と 吸熱反応きゅうねつはんのう を区く別べつできる
  • 鉄てつの 酸化さんか で温度おんどが上あがることを説せつ明めいできる (使い捨てカイロつかいすてかいろのしくみ)
  • 鉄てつ + 硫い黄おうの 硫化鉄りゅうかてつ生成せいせい が激はげしく進すすむ理り由ゆうを言いえる
  • 化学かがく変化へんかと熱ねつの出入でいりを エネルギーの移動いどう として理り解かいできる
  • 反応熱はんのうねつ と 活性化エネルギーかっせいかエネルギー の概がい念ねんを知しる (発はっ展てん)
  • 加か熱ねつ・硫化水素りゅうかすいそ ガス・発はっ火か注ちゅう意いの安全あんぜんルールを守まもれる

ポイント: 化学かがく変化へんかは 「物質ぶっしつが変かわるだけ」 ではなく、 「エネルギー (熱ねつ・光ひかり) も出で入で入いりする」。 この章しょうでは エネルギーの視し点てん から化学かがく変化へんかを見直みなおします。

1. 発熱はつねつ反応はんのうと吸熱ねつ反応はんのう

発熱はつねつ反応はんのうとは

化学かがく変化へんかの結けっ果か、 周まわりに熱ねつを出だす反応はんのう を 発熱反応はつねつはんのう と呼よびます。 反応はんのう後ごの温度おんどが 上あがります。

れい何なにが起おこるか利り用よう
鉄てつ + 酸素さんそ (酸化さんか)カイロの中なか身み (鉄粉ふんがゆっくり酸化さんか)使い捨てカイロつかいすてかいろ
燃焼ねんしょう (木き・ガス・ろうそく)激はげしい酸化さんか → 高温こうおんと光ひかり暖房だんぼう・調理ちょうり
金きん属ぞくと酸さんの反はん応のう亜鉛あえん + 塩酸えんさん → 水素すいそ + 熱ねつ化学かがく実じっ験けん
中和ちゅうわ反応はんのう塩酸えんさん + 水酸化すいさんかナトリウム → 食しょく塩えん + 水みず + 熱ねつ(中ちゅう 3 で詳くわしく)
鉄てつ + 硫い黄おうFe + S → FeS、 反応はんのうが始はじまると自力じりきで進すすむ中なか 2 化学かがくの代だい表ひょう実じっ験けん

吸熱ねつ反応はんのうとは

化学かがく変化へんかの結けっ果か、 周まわりから熱ねつを吸すう反応はんのう を 吸熱反応きゅうねつはんのう と呼よびます。 反応はんのう後ごの温度おんどが 下さがります。

れい何なにが起おこるか利り用よう
重曹じゅうそう + クエン酸さん二に酸さん化か炭たん素そを出だしながら周まわりの熱ねつを奪うばう入浴剤にゅうよくざい・冷れい却きゃくパック
塩化アンモニウムえんかあんもにうむ + 水酸化すいさんかバリウム強つよい吸熱ねつ、 -10 ℃ 近ちかくまで下さがる化学かがく実じっ験けん
硝しょう酸さんアンモニウム + 水みず水みずに溶とけるだけで大おおきな吸熱ねつ瞬間冷却パックしゅんかんれいきゃくパック

発熱はつねつと吸熱ねつの区く別べつ

観点かんてん発熱はつねつ反応はんのう吸熱ねつ反応はんのう
温度おんど上あがる下さがる
エネルギーの向むき反応はんのう → 周まわり周まわり → 反応はんのう
多おおさ化学かがく変化へんかの多おおく比ひ較かく的てき少すくない
利り用よう例れいカイロ・燃焼ねんしょう冷れい却きゃくパック・入にゅう浴よく剤ざい

大事だいじ: 「発はつ熱ねつか吸熱ねつか」 は 温度おんど計けいを当あてて確たしかめる。 反応はんのうの前後ぜんごで 温度おんどが上あがるか下さがるか で判はん断だんします。

2. カイロのしくみ (鉄てつのゆっくり酸化さんか)

使い捨てカイロつかいすてかいろは、 鉄粉ふんが空くう気き中ちゅうの酸素さんそとゆっくり結むすびついて熱ねつを出だす 仕組しくみで動うごいています。

カイロの中なか身み

成分せいぶん役やく割わり
鉄粉ふん酸化さんかされる主しゅ役やく
活性炭かっせいたん酸素さんそをゆっくり通とおす、 反応はんのうを一定いっていに保たもつ
食しょく塩えん (NaCl)鉄てつの酸さん化かを進すすめやすくする (触媒しょくばい的てきな役やく割わり)
水すい反応はんのうに必要ひつような湿しつ気け
バーミキュライト水みずを保たもつ鉱物こうぶつ

反応はんのう式しき (要よう約やく)

反応はんのう式しき
鉄てつの酸さん化か4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃ (酸化さんか鉄てつ、 さびと同おなじ)
出でる熱ねつ1 g の鉄てつが完全かんぜんに酸化さんかで約やく 7 kJ

なぜ「ゆっくり」 進すすむのか

要因よういん効果こうか
鉄粉ふんが細こまかく空気くうきと触ふれやすい反応はんのうが持じ続ぞくする
袋ふくろの通気つうき性せいを調整ちょうせい酸素さんその量りょうを制せい御ぎょ
食しょく塩えんと水みずで反応はんのうを助たすける一定いっていの速はやさで進すすむ
大おおきな塊かたまりの鉄てつ (鉄棒てつぼう)さびはゆっくり、 熱ねつはほとんど感かんじない

大おおきなカイロ vs 小ちいさなカイロ

比較ひかく結けっ果か
大おおきなカイロ鉄粉ふんが多おおい → 持続じぞく時間じかんが長ながい
小ちいさなカイロ鉄粉ふんが少すくない → 早はやく冷さめる

ポイント: カイロは 化学かがく変化へんかそのものが熱ねつを出だしている。 「電でん気きや電でん池ちが入はいっている」 と思おもう人ひとが多おおいが、 実じつは鉄てつと酸素さんその 化学かがく変化へんかだけ で動うごいています。

3. 鉄てつ + 硫い黄おうの反応はんのう

中なか 2 化学かがくで必かならず行おこなう代だい表ひょう実じっ験けんが、 「鉄粉ふんと硫い黄おうの粉こをまぜて加か熱ねつする」 反応はんのうです。

実じっ験けんの流ながれ

ステップやること
①鉄粉ふん 7 g + 硫い黄おう 4 g をよくまぜる (質しつ量りょう比ひ 7 : 4)
②試し験けん管かんに入いれ、 上部じょうぶをガスバーナーで加か熱ねつ
③上部じょうぶが赤あかくなったら加か熱ねつをやめる
④反応はんのうが 下かへ自力じりきで進すすむ (発はつ熱ねつ反応はんのうだから)
⑤全体ぜんたいが黒くろずんだら完かん了りょう

反応はんのう前まえと反応はんのう後ごの比較ひかく

性せい質しつ反応はんのう前まえ (鉄てつ + 硫い黄おう)反応はんのう後ご (硫化鉄りゅうかてつ)
色いろ鉄粉ふん = 灰はい、 硫い黄おう = 黄き黒くろ
磁じ石しゃく鉄粉ふんがつくつかない
塩えん酸さんをかけると鉄てつから 水素すいそ (無む臭しゅう) が発生はっせい硫化りゅうか水素すいそ (くさい卵たまごの匂におい) が発生はっせい

反応はんのう式しき

項目こうもく内ない容よう
反応はんのう式しきFe + S → FeS
タイプ化合かごう (Ch3 参照さんしょう) + 発熱はつねつ反応はんのう
質しつ量りょう比ひFe : S = 7 : 4

なぜ自力じりきで進すすむのか

最初さいしょの加か熱ねつで反応はんのうが始はじまると、 その化学かがく変化へんか自身じしんが熱ねつを出だす (発熱はつねつ反応はんのう)。 その熱ねつが 隣となりの部分ぶぶん を加か熱ねつし、 反応はんのうが連鎖れんさして下したへ進すすんでいくのです。 これを 自己持続反応じこじぞくはんのう と呼よびます。

大事だいじ: 加か熱ねつをやめても反応はんのうが 自力じりきで続つづく のは、 「発熱はつねつ反応はんのう が連鎖れんさする」 から。 これが 「自己じこ持続じぞく反応はんのう」 と呼よばれ、 燃ねん焼しょうや鉱こう山ざんでの自然しぜん発火はっかと同おなじしくみです。

4. 化学かがく変化へんかとエネルギーの出で入いり

化学かがく変化へんかを 「エネルギーの出で入いり」 として見みると、 全すべての反応はんのうを統一とういつ的てきに説せつ明めいできます。

エネルギー図ず (発熱はつねつ反応はんのう)

状態じょうたいエネルギーの高たかさ
反応はんのう前まえ (Fe + S)高たかい
反応はんのう後ご (FeS)低ひくい
差さ熱ねつとして周まわりに出でる

エネルギー図ず (吸熱ねつ反応はんのう)

状態じょうたいエネルギーの高たかさ
反応はんのう前まえ (重曹じゅうそう + クエン酸さん)低ひくい
反応はんのう後ご高たかい
差さ周まわりから熱ねつを吸すう

反応はんのうを起おこすための「最初さいしょの一いち押おし」

どんな反応はんのうにも、 最初さいしょに必要ひつようなエネルギー (= 活性化エネルギーかっせいかエネルギー) があります。

例れい「最初さいしょの一いち押おし」
ガスバーナーの着火ちゃっかマッチや電でん気きスパーク
鉄てつ + 硫い黄おう試し験けん管かん上部じょうぶの加か熱ねつ
燃焼ねんしょう火ひをつける
カイロ袋ふくろを開あける (空気くうきを入いれる)

反応はんのう熱ねつ (発展はってん)

化学かがく変化へんかで出入でいりする熱ねつの量りょうを 反応熱はんのうねつ と呼よび、 単たん位いは kJ/mol (キロジュール毎ごとモル) で表あらわします (高校こうこうで詳くわしく)。

反応はんのう反応はんのう熱ねつ (約やく)
水素すいその燃焼ねんしょう (H₂ + ½O₂ → H₂O)-286 kJ/mol (発はつ熱ねつ)
メタンの燃焼ねんしょう (CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O)-890 kJ/mol (発はつ熱ねつ)
鉄てつの酸さん化か (4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃)-1648 kJ/mol (発はつ熱ねつ)

ポイント: 化学かがく変化へんかは エネルギーの形かたちを変かえる装置そうち。 燃料ねんりょうの化学かがくエネルギー → 熱ねつエネルギー → 機械きかいを動うごかす。 中なか 3 で学まなぶ 「エネルギー」 単元たんげんの入口いりぐちです。

5. 身みの回まわりの発熱はつねつ ・ 吸熱ねつ

身みの回まわりの発熱はつねつ反応はんのう

例れい反応はんのう
使い捨てカイロつかいすてかいろ鉄てつの酸さん化か
ガスコンロメタンやプロパンの燃焼ねんしょう
ろうそくパラフィン (炭化たんか水素すいそ) の燃焼ねんしょう
たき火び木き (セルロース等とう) の燃焼ねんしょう
発電はつでん所しょ石炭せきたん・石油せきゆ・天然てんねんガスの燃焼ねんしょう
車しゃのガソリンエンジンガソリンの燃焼ねんしょう

身みの回まわりの吸熱ねつ反応はんのう

例れい反応はんのう
冷れい却きゃくパック硝しょう酸さんアンモニウム + 水みず
入にゅう浴よく剤ざい重曹じゅうそう + クエン酸さん (発泡はっぽう + 軽かるい吸熱ねつ)
水すいの蒸じょう発はつ (汗あせ)物理ぶつり変化へんかだが同おなじ効果こうかで体からだを冷ひやす

実じっ験けんのアイデア

実じっ験けんやり方かた
カイロの温度おんどをはかるカイロを開あけ、 5 分ぶんごとに温度おんど計けいを当あてる
重曹じゅうそう + クエン酸さん水みずの入はいったコップに両りょう方ほうを入いれ、 温度おんど計けいで温度おんど変化へんかをみる
鉄粉ふん + 食しょく塩えん + 水みず試し験けん管かんでゆっくり加か熱ねつされる (= ミニカイロ)

大事だいじ: 身みの回まわりの 「あたたかい」 「冷つめたい」 商品しょうひんの多おおくは、 化学かがく変化へんかで説せつ明めいできる。 化学かがくを学まなぶと、 商品しょうひんラベルの成分せいぶん表ひょうを見みて「なぜこれで温あたたまるのか」 が分わかるようになります。

6. 安全あんぜん — 加熱かねつ ・ 発火はっか注ちゅう意い

化学かがく変化へんかと熱ねつの実じっ験けんでは、 加か熱ねつ中の温度おんど・硫い化か水素すいそガス・自然しぜん発火はっか に注ちゅう意いが必ひつ要ようです。

加か熱ねつ中の注ちゅう意い

ルール理り由ゆう
試し験けん管かんの口くちを人ひとに向むけない急きゅうに中身なかみが飛とび出でるここととがある
加か熱ねつ部ぶ分ぶんを直接ちょくせつ触さわらない加か熱ねつ後こう数すう分ふんは高こう温おん
試し験けん管かんばさみを使つかう素す手でで持もつとやけど
加か熱ねつ中は試し験けん管かんをふらつかせない中身なかみが飛とび散ちる
加か熱ねつ終了しゅうりょう後ごは十じゅう分ぶんに冷さますまだ高こう温おんなまま触さわらない

鉄てつ + 硫い黄おう実じっ験けんでの注ちゅう意い

場面ばめん注ちゅう意い
反応はんのう後ごの試し験けん管かんを割わらない中なかの硫化鉄りゅうかてつを酸さんに触ふれさせない
硫化りゅうか水素すいそガス に注ちゅう意い硫化鉄りゅうかてつ + 塩酸えんさん → 硫化りゅうか水素すいそ (有毒ゆうどく・卵たまごの腐くさった匂におい)
換かん気き厳守げんしゅ窓まどを開あけ、 換気扇かんきせんを回まわす
匂においを直接ちょくせつかがない手てで軽かるく扇あおぐ
気き分ぶんが悪わるくなったら屋外おくがいへ速すみやかに新しん鮮せんな空くう気きを

発火はっか ・ 燃焼ねんしょう実じっ験けんでの注ちゅう意い

ルール説せつ明めい
可燃かねん物ぶつを周まわりに置おかない紙かみ・布ぬの・カーテンから離はなす
消火しょうか用具ようぐを用意ようい濡ぬれた布ぬの・消しょう火か器き・水道すいどうを確かく認にん
服装ふくそう長なが袖そでは袖そでをまくる、 髪かみは結むすぶ
大量たいりょうの薬やく品ひんを使つかわない燃焼ねんしょう規き模ぼが大おおきくなると制せい御ぎょできなくなる
マグネシウムの燃ねん焼しょう強つよい光ひかりを直視ちょくししない (目めを痛いためる)

自然しぜん発火はっかのこことと

カイロや鉄粉ふんは、 大量たいりょうに積つみ重かさねると 自然しぜん発火はっか (自力じりきで火ひがつくこと) を起おこすことがあります。 工場こうじょうの火災かさいの原因げんいんにもなっています。

大事だいじ: 「鉄てつが燃もえる」 「鉄てつで暑あつくなる」 は同おなじ反応はんのう。 量りょうと時間じかんの違ちがいで 「カイロ」 にも「火災かさい」 にもなります。 学校がっこうの実じっ験けんでは 必かならず少量しょうりょう で、 先せん生せいの指し示じに従したがいます。

炎を上げて燃える焚き火
燃焼ねんしょう — 物質ぶっしつが酸素さんそと激はげしく結むすびついて光こうと熱ねつを出だす化学変化かがくへんか。 代だい表ひょう的てきな発熱はつねつ反応はんのう。
袋を叩くと冷たくなる瞬間冷却パック
瞬間冷却パックしゅんかんれいきゃくパック — 硝酸しょうさんアンモニウムが水みずに溶とけるときの吸熱きゅうねつを利用りようして冷つめたくなる製品せいひん。 代表だいひょう的てきな 吸熱反応きゅうねつはんのう (厳密げんみつには溶解ようかい) の身近みぢかな応用おうよう例れい。 打だ撲ぼくや発はつ熱ねつの応急おうきゅう処しょ置ちに使つかう。

まとめ

  • 化学かがく変化へんかは 熱ねつを出だす (発熱反応はつねつはんのう) か 熱ねつを吸すう (吸熱反応きゅうねつはんのう) に分わかれる
  • カイロは 鉄てつのゆっくりした酸化さんか (4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃) で発熱はつねつ
  • 鉄てつ + 硫い黄おうは 「自力じりきで進すすむ発熱はつねつ反応はんのう」。 反応はんのう後ごは 磁じ石しゃくにつかない + 塩えん酸さんで硫い化か水素すいそが出でる
  • 吸熱ねつ反応はんのうの代だい表ひょう = 重曹じゅうそう + クエン酸さん、 硝しょう酸さんアンモニウム + 水みず
  • 化学かがく変化へんかは エネルギーの移い動どう であり、 反応はんのうの前後ぜんごでの エネルギー差さ が熱ねつとして出入でいりする
  • 安全あんぜん: 試し験けん管かんの口くちを向むけない・換かん気き・硫い化か水素すいそ注ちゅう意い・少量しょうりょうで行おこなう

次つぎの章しょうでは、 化学かがくから物理ぶつりに移うつり、 電流でんりゅう と 電圧でんあつ を学まなびます。 オームの法ほう則そくと直ちょく列れつ・並へい列れつ回路かいろが中心ちゅうしんです。

まとめ — 化学かがく変化へんかと熱ねつを 3 行くだりで

  • 化学かがく変化へんかは熱ねつを出だす発熱反応はつねつはんのう (鉄てつの酸化さんか・カイロ等とう) と熱ねつを吸すう吸熱反応きゅうねつはんのう (重曹じゅうそう+クエン酸さん等とう) に分わかれる
  • 鉄てつ+硫黄いおうは自力じりきで進すすむ発熱はつねつ反応はんのうで、 反応はんのう後ごの生成せいせい物ぶつは磁石じしゃくにつかず塩酸えんさんで硫化りゅうか水素すいそが発生はっせいする点てんで原料げんりょうと区別くべつできる
  • 化学かがく変化へんかはエネルギーの移動いどうであり、 反応はんのう前後ぜんごのエネルギー差さが熱ねつとして出入でいりするのが熱ねつ変化へんかの本質ほんしつである
この教材きょうざいは役やくに立たちましたか?
学がく習しゅうロードマップ(10件けん)
  1. 1中なか 2 理科りかをはじめよう (化学かがく変化へんかと物理ぶつり変化へんか・探究たんきゅうの方法ほうほう)
  2. 2物質ぶっしつの成なり立たち (原子げんし・分子ぶんし・元素げんそ記号きごう・化学かがく式しき)
  3. 3化学かがく変化へんか (酸化さんか・還元かんげん・分解ぶんかい・化合かごう・質量しつりょう保存ほぞんの法則ほうそく)
  4. 4化学かがく変化へんかと熱ねつ (発熱はつねつ反応はんのう・吸熱ねつ反応はんのう・鉄てつの燃焼ねんしょう)
  5. 5電流でんりゅうと電圧でんあつ (回路かいろ・オームの法則ほうそく・直列ちょくれつ並列へいれつ・電力でんりょく)
  6. 6電流でんりゅうのはたらき
  7. 7動物どうぶつの体からだのつくりとはたらき
  8. 8動物どうぶつの分類ぶんるいと進化しんか
  9. 9気象きしょう観測かんそくと大気たいき
  10. 10天気てんきの変化へんか