反応熱とは何か?
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
熱とは、この内部エネルギーの変化を
熱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
熱は正の値(
吸熱反応)または負の値(発
熱反応)をとります。
反応熱の種類
反応
熱は、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。
生成熱: 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
熱
燃焼熱: 物質1モルを完全に
燃焼させたときに発生する
熱
中和熱: 酸と塩基の中和反応で発生する
熱
溶解熱: 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
熱
希釈熱: 溶液を希釈したときに発生または吸収される
熱
混合熱: 異なる物質を混合したときに発生または吸収される
熱
吸着熱: 物質が表面に
吸着するときに発生する
熱
これらの反応
熱は、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
熱は定圧条件下での
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
熱の符号によって、発
熱反応と
吸熱反応を区別します。
発熱反応: 反応系から周囲へ
熱が放出される反応(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
熱反応です。例えば、
水素ガスの
燃焼や
鉄の酸化などが挙げられます。
*
吸熱反応: 周囲から反応系へ
熱が吸収される反応(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
熱反応(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。
ヘスの法則は、
化学反応の反応
熱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
熱を、より簡単な反応の反応
熱から計算することができます。
熱化学方程式は、反応式に反応
熱(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
水素からアンモニアを生成する反応の
熱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
水素から2モルのアンモニアを生成する際に、45.9 kJの
熱が放出されることを示しています。
熱化学方程式を利用することで、未知の反応
熱を既知の反応
熱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
熱は、
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
熱の定義、種類、測定方法、
熱化学方程式、そして関連する
熱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。