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第 5 章 で は、 中学 で 学んだ 化学反応式 を 高校 で 「何 g・何 mol 反応 して、 何 kJ の 熱 が 出入り する か」 ま で 計算 で き る よう に なる 章 で す。
ポイント: 第 4 章 で 学んだ mol が こ こ で 大活躍 し ます。 反応式 の 係数 が mol 比 で あ り、 mol 数 と モル質量 を か け る と 質量 が 出 て、 mol 数 と 反応エンタルピー を か け る と 熱量 が 出 ます。
化学反応 で は、 「反応物」 が 「生成物」 に 変 わ り ます。 化学反応式 で は 左 に 反応物、 右 に 生成物 を 書 き、 「→」 で つ な ぎ ます。
| 反応 | 反応式 |
|---|---|
| 水素 が 燃 え て 水 が で き る | 2H₂ + O₂ → 2H₂O |
| メタン が 完全燃焼 | CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O |
| 鉄 が さ び る | 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃ |
| 中和反応 | HCl + NaOH → NaCl + H₂O |
| 炭酸水素 ナトリウム の 加熱 | 2NaHCO₃ → Na₂CO₃ + H₂O + CO₂ |
中学 で も 学んだ 質量保存の法則: 反応 の 前後 で 原子 の 種類 と 数 は 変 わ ら な い = 質量 も 変 わ ら な い。 こ れ を 守 る た め に 係数 を つ け ま す (係数 を 変 え る だ け で、 化学式 そ の も の は 変 え ない)。
例: H₂ + O₂ → H₂O だ け で は O が 合 わ ない (左 2、 右 1)。 各元素 を 合 わ せ る た め に 係数 を 調整:
2H₂ + O₂ → 2H₂O で H 4 個・O 2 個 が 左右 と も 一致 (バランス OK)。
複雑 な 反応 で 係数 を 求 め る と き は 未定係数法 を 使 い ます。
例: a Cu + b HNO₃ → c Cu(NO₃)₂ + d NO + e H₂O
| 元素 | 左辺 | 右辺 | 式 |
|---|---|---|---|
| Cu | a | c | a = c |
| H | b | 2e | b = 2e |
| N | b | 2c + d | b = 2c + d |
| O | 3b | 6c + d + e | 3b = 6c + d + e |
a = 1 と お き、 順 に 解 く と c = 1、 b = 8/3、 d = 2/3、 e = 4/3。 全体 を 3 倍 し て 整数化:
3Cu + 8HNO₃ → 3Cu(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O
大事: 化学反応式 を 書 い た ら 必 ず 元素 ご と に 数 を 数 え て バランス を 確認。 1 個 で も 合 わ ない と 計算 が 全部 ず れ ま す。
水溶液 の 反応 で は、 イオン だ け で 反応 を 表す 場合 が あ り ます。
| 通常 の 反応式 | イオン 反応式 (傍観 イオン を 除く) |
|---|---|
| HCl + NaOH → NaCl + H₂O | H⁺ + OH⁻ → H₂O |
| AgNO₃ + NaCl → AgCl↓ + NaNO₃ | Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓ |
| BaCl₂ + Na₂SO₄ → BaSO₄↓ + 2NaCl | Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ |
「↓」 は 沈殿 を、 「↑」 は 気体発生 を 表 し ます (省略可)。
第 4 章 の 復習: 化学反応式 の 係数 は mol 比 を 表し ます。 質量比・体積比 で は あり ません (体積比 は 気体 で の み)。
例: 2H₂ + O₂ → 2H₂O
| 観点 | H₂ | O₂ | H₂O |
|---|---|---|---|
| mol 比 | 2 | 1 | 2 |
| 質量 (g、 1 mol あ た り) | 4 | 32 | 36 |
| 体積 (L、 標準状態、 気体 の み) | 44.8 | 22.4 | (液体 の た め) |
反応式: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O
| 段階 | 計算 |
|---|---|
| C₆H₁₂O₆ 質量 → mol (分子量 180) | 18 ÷ 180 = 0.1 mol |
| 必要 な O₂ (係数比 1 : 6) | 0.1 × 6 = 0.6 mol |
| O₂ mol → 質量 | 0.6 × 32 = 19.2 g |
| O₂ mol → 体積 (標準状態) | 0.6 × 22.4 = 13.44 L |
| 発生 す る CO₂ (係数比 1 : 6) | 0.1 × 6 = 0.6 mol → 0.6 × 44 = 26.4 g |
反応式: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑
例: 鉄 5.6 g を 十分 な 量 の 塩酸 と 反応 さ せ た と き、 発生 す る H₂ の 体積 (標準状態) は ?
| 段階 | 計算 |
|---|---|
| Fe 質量 → mol (原子量 56) | 5.6 ÷ 56 = 0.1 mol |
| H₂ の mol (係数比 1 : 1) | 0.1 mol |
| H₂ mol → 体積 (標準状態) | 0.1 × 22.4 = 2.24 L |
反応物 の 一方 が 少 な く て 先 に な く な る 場合、 そ ち ら が 限 り の 反応物 に な り、 残 っ た 方 は 余 り ま す。
例: H₂ 2.0 g と O₂ 16 g を 反応 さ せ た。 ど ち ら が 余 る か。 何 g 反応 し て 何 g の 水 が で き る か。
| 段階 | 計算 |
|---|---|
| H₂ mol | 2.0 ÷ 2.0 = 1.0 mol |
| O₂ mol | 16 ÷ 32 = 0.5 mol |
| 比 (H₂ : O₂ = 2 : 1) で 必要 な O₂ | 1.0 × (1/2) = 0.5 mol → ぴ っ たり |
| 発生 す る H₂O | 1.0 × (2/2) = 1.0 mol → 1.0 × 18 = 18 g |
化学反応 で は エネルギー の 出入 り が 起 こ り ます。
| 種類 | 内容 | 例 |
|---|---|---|
| **[[発熱反応 | はつねつはんのう]]** | 周囲 に 熱 を 放出 (周囲 が あ た た か く な る) |
| **[[吸熱反応 | きゅうねつはんのう]]** | 周囲 か ら 熱 を 吸収 (周囲 が 冷 た く な る) |
「反応 で 出入 り す る 熱量」 を 表す 物理量 を 反応エンタルピー と 呼 び、 ΔH で 表 し ま す (単位 は kJ/mol)。
| ΔH | 意味 |
|---|---|
| **ΔH < 0 ([負 | ふ])** |
| ΔH > 0 (正) | 吸熱反応 |
ポイント: ΔH は 「生成物 の エネルギー − 反応物 の エネルギー」 で す。 発熱反応 で は 生成物 の 方 が エネルギー が 低 い の で 負 に な り ます。
反応エンタルピー を 反応式 に 添 え た も の を 熱化学方程式 と 呼 び ます。 高校化学 で は 次 の よう な 形 で 書 き ます (新課程 で は ΔH を 末尾 に 添 え る 形 を 推奨)。
| 反応 | 熱化学方程式 |
|---|---|
| 水素 の 燃焼 (1 mol あ た り 286 kJ 発熱) | H₂ (気) + (1/2) O₂ (気) → H₂O (液) ΔH = −286 kJ |
| メタン の 燃焼 (1 mol あ た り 891 kJ 発熱) | CH₄ (気) + 2O₂ (気) → CO₂ (気) + 2H₂O (液) ΔH = −891 kJ |
| 炭素 の 燃焼 | C (黒鉛) + O₂ (気) → CO₂ (気) ΔH = −394 kJ |
| 中和 | HCl 水溶液 + NaOH 水溶液 → NaCl 水溶液 + H₂O (液) ΔH = −56 kJ |
| 水 の 蒸発 (吸熱) | H₂O (液) → H₂O (気) ΔH = +44 kJ |
書 く と き の ル ー ル:
反応エンタルピー は 反応 の 種類 で 細 か く 分 け ら れ ま す。 高校化学 で 出 る 主 な も の:
燃焼熱: 物質 1 mol が 完全燃焼 し た と き に 発生 す る 熱量 (発熱 な の で ΔH < 0)。
| 物質 | 燃焼熱 | |---|---| | H₂ (気) | 286 kJ/mol | | C (黒鉛) | 394 kJ/mol | | CH₄ (気、 メタン) | 891 kJ/mol | | C₂H₅OH (液、 エタノール) | 1368 kJ/mol | | C (黒鉛) → CO₂ で 不完全 (CO に な っ た 場合) | 不完全燃焼 と 呼 ぶ |
中和熱: 1 mol の 水 H₂O が 生成 す る 中和反応 で 発生 す る 熱量。 強酸・強塩基 の 場合 は ど ん な 組 み 合 わ せ で も 約 56 kJ/mol (ΔH ≒ −56 kJ)。
| 反応 | 中和熱 | |---|---| | HCl + NaOH | 約 56 kJ/mol | | HNO₃ + KOH | 約 56 kJ/mol | | HCl + NH₃ (弱塩基) | 約 50 kJ/mol (や や 小 さ い) |
ポイント: 強酸・強塩基 の 中和 が 同 じ 値 に な る の は、 「H⁺ + OH⁻ → H₂O」 と い う 同 じ イオン 反応 だ か ら で す。
生成熱: 化合物 1 mol が そ の 成分元素 の 単体 か ら 生成 す る と き の 熱量。
| 化合物 | 生成熱 |
|---|---|
| H₂O (液) | 286 kJ/mol (こ れ は H₂ の 燃焼熱 と 同 じ) |
| CO₂ (気) | 394 kJ/mol (C の 燃焼熱 と 同 じ) |
| NH₃ (気) | 46 kJ/mol |
| NO (気) | −90 kJ/mol (吸熱: 標準状態 で N₂ + O₂ か ら NO は で き に く い) |
溶解熱: 物質 1 mol を 多量 の 水 に 溶 か し た と き の 熱量。
| 物質 | 溶解熱 |
|---|---|
| NaOH (固) → 水溶液 | 44 kJ/mol (発熱) |
| H₂SO₄ (液) → 水溶液 | 95 kJ/mol (大 き く 発熱、 「水 → 酸」 の 順厳守) |
| NH₄NO₃ (固) → 水溶液 | −26 kJ/mol (吸熱: 冷却 パック に 利用) |
ヘスの法則 (総熱量保存 の 法則): 「反応 の 経路 が ち が っ て も、 出入 り す る 熱量 の 総和 は 同 じ」。
つ ま り、 直接測定 で き ない 反応 の 反応エンタルピー も、 既知 の 反応 の 組 み 合 わ せ で 計算 で 求 め ら れ る。
C → CO は 直接測 れ な い (実際 は CO₂ ま で 燃 え や す い) が、 次 の 2 つ の 反応 か ら 求 め ら れ る:
| 既知 の 反応 | ΔH |
|---|---|
| ① C (黒鉛) + O₂ → CO₂ | −394 kJ |
| ② CO + (1/2) O₂ → CO₂ | −283 kJ |
求 め る: ③ C (黒鉛) + (1/2) O₂ → CO
① − ② = ③ な の で、 ΔH₃ = ΔH₁ − ΔH₂ = −394 − (−283) = −111 kJ
化学反応 の 反応エンタルピー は 結合 エネルギー (結合 を 切 る の に 必要 な エネルギー) を 使 っ て も 求 め ら れ ま す。
ΔH (反応 の 熱) = (切 れ る 結合 の エネルギー の 和) − (で き る 結合 の エネルギー の 和)
| 結合 | エネルギー (kJ/mol) |
|---|---|
| H−H | 436 |
| O=O | 498 |
| O−H | 463 |
| C−H | 416 |
| C−C | 348 |
| C=O | 803 |
例: H₂ + (1/2) O₂ → H₂O の 反応熱 (発熱)
| 段階 | 計算 |
|---|---|
| 切 る 結合 | 1 × (H−H) + 0.5 × (O=O) = 436 + 249 = 685 kJ |
| で き る 結合 | 2 × (O−H) = 2 × 463 = 926 kJ |
| ΔH | 685 − 926 = −241 kJ (発熱) |
(精密値 は H₂O が 気体 か 液体 か で 変 わ る た め、 実測値 −286 kJ/mol と 多少 ず れ る)
中学化学 で 学ばない、 高校化学 で 入 り 口 だ け 学 ぶ こ と:
反応速度 = 単位時間 あ た り の 反応物 の 減少量 ま た は 生成物 の 増加量。 反応速度 は 次 の 4 つ で 大 き く 変 わ る。
| 要因 | 速度 へ の 影響 |
|---|---|
| 濃度 | 濃 い ほ ど 速 い |
| 温度 | 高 い ほ ど 速 い (10 °C 上 が る と 約 2 〜 3 倍) |
| 触媒 | 反応経路 を 変 え て 速 く す る (自身 は 変化 し な い) |
| 表面積 | 固体 が 細 か い ほ ど 速 い |
正反応 と 逆反応 が 同 じ 速度 で 進 む 状態 を 化学平衡 と 呼 び ま す。 高校化学 で は さ ら に ルシャトリエの原理 (平衡 を ず ら す 方法) を 学 び ま す。
化学反応 と 熱 の 実験 で は、 発熱・燃焼・引火 が 大 き な 危険 で す。
| 薬品 | 危険性 | 対策 |
|---|---|---|
| エタノール、 ジエチル エーテル、 アセトン | 引火性 | 火気厳禁、 ドラフト、 換気 |
| 濃[[硫酸 | りゅうさん]] H₂SO₄ | 強 い [[脱水 |
| 濃[[硝酸 | しょうさん]] HNO₃ | [[強酸 |
| Na、 K | 水 と 反応 し H₂ 発生 → 発火 | 教師 デモ、 灯油中保存 |
| 過酸化水素 H₂O₂ (高濃度) | 触媒 と の 反応 で 急激 な 発生 | [[保護メガネ |
| マグネシウム リボン Mg | 燃焼 で 強 い 紫外線 と 高温 | 直視 し ない、 火 ば な み に 注意 |
| 場面 | 注意 |
|---|---|
| ガス バーナー | 元栓 → 空気 → 燃料 の 順 で 開 け、 消 す と き は 逆 |
| 燃焼[[実験 | じっけん]] (Mg、 S、 P) |
| 酸素充満容器 で の 燃焼 | 急激 な 燃焼、 退避距離 を 取 る |
| 加熱 し た 試験管 | 口 を 自分 や 他人 に 向 け ない、 [[沸騰石 |
| 引火性溶媒 | 周囲 に 火気 な し、 換気 |
次 の 章 へ: こ こ ま で で 高校化学 (化学基礎部分) の 基本道具 = 物質・原子・周期表・結合・mol・熱 が そ ろ い ま し た。 こ の 後 は こ の 5 章 を 土台 に、 第 6 章 で 酸 と 塩基、 第 7 章 で 酸化還元 を 詳 し く 学 び ます。 中和滴定 や 電池・電気分解 の 計算 に、 mol と 熱 の 知識 が 全 て 生 き て き ま す。