ヘスの法則

ヘスの法則：反応熱とエネルギー保存則

1840年、スイス生まれのロシア人化学者ゲルマン・アンリ・ヘスによって発表されたヘスの法則は、熱化学における重要な法則です。別名、総熱量不変の法則とも呼ばれ、化学反応における熱のやりとりを理解する上で基本的な役割を果たします。この法則は、熱力学第一法則、すなわちエネルギー保存則を化学反応に適用したものであり、熱力学第一法則の提唱よりも先に発見された点が特筆されます。

ヘスの法則とは？

ヘスは、様々な割合で硫酸と水を混ぜ合わせる実験を行いました。その過程で彼は、反応熱は反応物と生成物の状態だけで決まり、反応経路には依存しないという重要な事実を発見しました。

具体的には、ある物質Aから物質Bへと変化する反応を考えると、AからBに至る反応経路が複数あったとしても、その反応熱（より厳密にはエンタルピー変化）は経路によらず常に一定であるということです。これは、エンタルピーが状態量であること、つまり系の状態（温度、圧力など）だけで決まる量であることから説明できます。エンタルピーは後世になって定義された概念ですが、ヘスの法則はこの概念が生まれる以前から実験的に確認されていたのです。

ヘスの法則の応用

ヘスの法則は、未知の反応熱を計算する際に非常に役立ちます。既知の反応熱を用いることで、複雑な反応の反応熱を間接的に求めることができます。例えば、ある化合物の生成熱が分かっていれば、その化合物に関わる他の多くの反応の反応熱を計算できます。

これは、多数の反応熱を個別に測定する必要性を減らし、反応熱の予測や効率的な熱化学計算を可能にするため、化学熱力学における重要なツールとなっています。

計算例

例えば、炭素からメタン(CH₄)が生成する反応熱を計算することを考えましょう。炭素の燃焼熱、水素の燃焼熱、そしてメタンの燃焼熱が既知であると仮定します。これらの既知の反応熱を組み合わせることで、炭素からメタンが生成する反応熱を計算することができます。この計算には、ヘスの法則が適用されます。それぞれの反応のエンタルピー変化を適切に組み合わせることで、目的とする反応熱を求めることができるのです。

まとめ

ヘスの法則は、反応熱という熱力学的な量と、反応経路という反応の具体的な過程との関係を明らかにした重要な法則です。エネルギー保存則に基づいており、複雑な反応熱の計算を可能にすることで、化学熱力学の発展に大きく貢献しました。また、ボルン・ハーバーサイクルのような、物質の生成エネルギーを計算する手法にも応用されています。ヘスの法則は、一見複雑に見える化学反応のエネルギー変化を理解するための強力なツールなのです。

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