反応熱

反応とは何か?



化学反応は、物質の構成単位である原子や分子の結合状態が変化する現象です。この結合状態の変化に伴い、系の内部エネルギーも変化します。反応とは、この内部エネルギーの変化をのやり取りとして捉えたものです。より具体的には、定圧過程におけるエンタルピー変化として定義されます。結合が形成されるときにはエネルギーが放出され、結合が切断されるときにはエネルギーを吸収します。そのため、反応は正の値(吸熱反応)または負の値(発反応)をとります。

反応の種類



反応は、反応の種類や過程によって様々な名称で呼ばれます。主な種類には以下のようなものがあります。

生成: 元素から化合物1モルを生成する際に発生または吸収される
燃焼: 物質1モルを完全に燃焼させたときに発生する
中和: 酸と塩基の中和反応で発生する
溶解: 物質1モルを溶媒に溶解させたときに発生または吸収される
希釈: 溶液を希釈したときに発生または吸収される
混合: 異なる物質を混合したときに発生または吸収される
吸着: 物質が表面に吸着するときに発生する

これらの反応は、反応条件(温度、圧力など)によって値が変化します。通常、反応は定圧条件下でのエンタルピー変化(ΔrH)として測定されますが、定容条件下での内部エネルギー変化(ΔrU)として測定される場合もあります。

反応と吸熱反応



反応の符号によって、発反応と吸熱反応を区別します。

反応: 反応系から周囲へが放出される反応(ΔrH < 0)。エンタルピー変化が負の値を示します。多くの燃焼反応は発反応です。例えば、素ガスの燃焼の酸化などが挙げられます。
* 吸熱反応: 周囲から反応系へが吸収される反応(ΔrH > 0)。エンタルピー変化が正の値を示します。多くの分解反応は吸熱反応です。

反応が自発的に起こるかどうかは、ギブズエネルギーの変化(ΔG)によって決まります。ΔG = ΔH - TΔS の関係式から、発反応(ΔH < 0)はエントロピー変化が負であっても自発的に起こりやすいことがわかります。一方、吸熱反応(ΔH > 0)は、エントロピー増加(ΔS > 0)が十分に大きい場合にのみ自発的に起こります。

ヘスの法則化学方程式



ヘスの法則は、化学反応の反応は反応経路によらず、反応物と生成物の状態のみによって決まるという法則です。この法則を用いると、複雑な反応の反応を、より簡単な反応の反応から計算することができます。

化学方程式は、反応式に反応(通常はエンタルピー変化)を併記したものです。例えば、窒素と素からアンモニアを生成する反応の化学方程式は次のようになります。

N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g) ; ΔrH = -45.9 kJ/mol

この式は、1モルの窒素と3モルの素から2モルのアンモニアを生成する際に、45.9 kJのが放出されることを示しています。化学方程式を利用することで、未知の反応を既知の反応から計算することができます。ただし、反応物や生成物の状態(気体、液体、固体)を明示する必要があります。

まとめ



反応は、化学反応におけるエネルギー変化を理解するための重要な指標です。本記事では、反応の定義、種類、測定方法、化学方程式、そして関連する力学的概念について解説しました。これらの知識は、化学反応の予測や制御に役立ちます。

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