反応のエンタルピーは、この反応が一定の圧力で発生している場合に、化学反応で獲得または放出される熱を計算できる熱力学関数です。これは、次のように、内部エネルギーUと圧力Pと化学反応に関与する物質の体積Vの積として定義されます。H = U + P∙V
したがって、エンタルピーにはエネルギーの次元があり、国際測定システムではジュールで測定されます。化学反応で交換される熱とエンタルピーの関係を理解するには、次のように述べられている熱力学の第一法則を覚えておく必要があります。Q=ΔU+ W
図1.ガスの燃焼では、エンタルピーが減少します。ソース：pixabay
最初の法則は、熱力学的プロセスで交換される熱が、プロセスに関与する物質の内部エネルギーの変動とプロセスでこれらの物質によって行われる仕事に加えて等しいことを確立します。
どのプロセスでも、仕事Wは次の関係によって計算されます。
上記の式で、Viは初期体積、Vfは最終体積、Pは圧力です。プロセスが一定の圧力Pで実行される場合、結果の作業は次のようになります。
ここで、ΔVは体積の変化です。
定義
化学反応は、一般に一定の圧力で、非常に頻繁に大気圧で発生する熱力学的プロセスです。このタイプの熱力学的プロセスは、一定の圧力で発生するため、「等圧」と呼ばれます。
この場合、熱力学の第一法則は次のように書くことができます。
Qp =ΔU+ P∙ΔV
Qpは、熱が一定の圧力で交換されたことを示します。エンタルピーH = U + P∙Vの定義を前の式に導入すると、次のようになります。
Qp =ΔH
したがって、正のエンタルピー変化は、環境から熱を奪った反応を示します。これは吸熱反応です。
逆に、エンタルピーの変化が負の場合、それは発熱反応です。
実際、エンタルピーという言葉はギリシャ語の「熱すること」を意味するエンタルピーから来ています。
エンタルピーは熱とも呼ばれます。しかし、それは熱と同じではないことは明らかですが、エンタルピーを変化させるのは熱力学的プロセス中の熱交換です。
熱との関係
熱とは異なり、エンタルピーは状態の関数です。エンタルピー変化を計算するときは、内部エネルギーや体積など、システムの状態のみに依存する2つの関数の差を計算しています。
ΔH=ΔU+ P∙ΔV
反応中の圧力は一定のままであるため、反応のエンタルピーは状態の関数であり、内部エネルギーと体積にのみ依存します。
化学反応では、反応物のエンタルピーは、それぞれのエンタルピーの合計として定義できます。すべての製品のエンタルピーの合計としての製品のそれ。
反応のエンタルピー変化は、生成物の差から反応物のエンタルピーの差です。
図2.エンタルピー図。出典：自作。
吸熱反応では、生成物のエンタルピーは反応物のエンタルピーよりも大きくなります。つまり、反応は環境から熱を奪います。反対に、発熱反応では、反応物が環境に熱を与えるため、反応物のエンタルピーは生成物のエンタルピーよりも大きくなります。
標準エンタルピー
化学反応のエンタルピー変化は圧力と温度に依存する可能性があるため、標準的な反応条件を定義するのが通例です。
標準反応温度：25°C
標準反応圧力：1 atm = 1 bar。
標準エンタルピーは次のように表されます：H°
熱化学
熱化学方程式では、反応物と生成物だけでなく、エンタルピーの変化も重要です。エンタルピーは、その間に起こった変化に対する反応として理解されています。
例として、次の反応を見てみましょう：
2 H2（ガス）+ O2（ガス）→2 H2O（液体）; ΔH°= -571.6 kJ（発熱）。
H2（ガス）+（½）O2（ガス）→H2O（液体）; ΔH°= -285.8 kJ（発熱）。
2 H2O（液体）→2 H2（ガス）+ O2（ガス）; ΔH°= +571.6 kJ（吸熱）。
エンタルピーは広範な熱力学量です
化学方程式の項が特定の係数で乗算または除算される場合、エンタルピーは同じ係数で乗算または除算されます。
反応が逆になると、反応エンタルピーの符号も逆になります。
解決された演習
-演習1
アセチレンガスC2H2は、周囲の温度と圧力で、造粒された形の炭化カルシウムCaC2と水との反応から得られます。
データとして、反応物質の生成エンタルピーがあります。
ΔH°（CaC2）= -59.0 kJ / mol
ΔH°（H20）= -285.8 kJ / mol
そして、生成物のエンタルピー：
ΔH°（C2H2）= +227.0 kJ / mol
ΔH°（Ca（OH）2）= -986.0 kJ / mol
反応の標準エントロピーを見つけます。
解決
まず最初に、バランスのとれた化学方程式を立てることです。
CaC2（s）+ 2H20（l）→Ca（OH）2（s）+ C2H2（g）
そして今、反応物質、生成物、および反応のエンタルピー：
-試薬：-59.0 kJ / mol -2∙285.8 kJ / mol = -630.6 kJ / mol
-生成物：-986.0 kJ / mol + 227.0 kJ / mol = -759 kJ / mol
-反応：ΔH°= -759 kJ / mol-（-630 kJ / mol）= -129 kJ / mol
それは発熱反応です。
-演習2
標準条件下でアセチレン1リットルを燃焼すると、どのくらいの熱が放出されますか？
解決
バランスがとれると、アセチレンの燃焼反応は次のようになります。
C2H2（g）+（5/2）O2（g）→2 CO2（g）+ H20（l）
製品の形成のエンタルピーが必要です。
ΔH°（CO2）= -393.5 kJ / mol
ΔH°（H2O（l））= -285.8 kJ / mol
エンタルピーの計算
これらのデータを使用して、製品のエンタルピーを計算できます。
ΔH°（生成物）= 2 *（-393.5 kJ / mol）+（-285.8 kJ / mol）= -1072.8 kJ / mol
そして、反応物の形成のエンタルピー：
ΔH°（C2H2）= 227.0 kJ / mol
ΔH°（O2）= 0.0 kJ / mol
反応物のエンタルピーは次のようになります。
227.0 kJ / mol +（5/2）* 0.0 = 227.0 kJ / mol
モル反応エンタルピーは次のようになります：ΔH°（生成物）-ΔH°（反応物）= -1072.8kJ / mol-227.0 kJ / mol = -1299.8 kJ / mol
燃焼エンタルピー
ここで、標準的な条件下で、アセチレン1リットルがアセチレン1モルであることを知る必要があります。これには、理想的なガスの状態方程式を使用し、そこからモル数を解きます。
モル数n = P * V /（R * T）
P = 1 atm = 1.013 x10⁵Pa
V = 1 l = 1.0 x 10 ^ -3m³
R = 8.31 J /（mol * K）
T = 25°C = 298.15 K
n = 0.041モル
アセチレン1リットルの燃焼エンタルピーは0.041 mol *（-1299.8 kJ / mol）= -53.13 kJ
負の符号は、53.13 kJ = 12.69 kcalを放出するのが発熱反応であることを示しています。
参考文献
- 栗E.化学反応におけるエンタルピー。回収元：lidiaconlaquimica.wordpress.com
- 熱化学。反応のエンタルピー。回収元：recursostic.educacion.es
- 熱化学。標準反応エンタルピーの定義。回収元：quimitube.com
- ウィキペディア。反応の標準エンタルピー。回復元：wikipedia.com
- ウィキペディア。形成エンタルピー。回復元：wikipedia.com