エンタルピーとは？ - 化学 - 2025

エンタルピーは、圧力に供される容積を有する本体（システム）に含まれるエネルギーの量の尺度であり、その環境と交換可能です。これは文字Hで表されます。関連付けられている物理単位はジュールです（J = kgm2 / s2）。

数学的には、次のように表すことができます。

H = U + PV

どこ：

H =エンタルピー

U =システムの内部エネルギー

P =圧力

V =ボリューム

UとPおよびVの両方が状態関数である場合、Hも同様です。これは、与えられた瞬間に、システムで研究される変数にいくつかの初期条件と最終条件を与えることができるためです。

形成のエンタルピーは何ですか？

これは、通常の凝集状態にある元素から物質の生成物1モ​​ルが生成されるときに、システムによって吸収または放出される熱です。固体、液体、気体、溶液、または最も安定した同素体状態。

炭素の最も安定した同素体状態は、通常の圧力1気圧、温度25°Cであることに加えて、グラファイトです。

ΔH°fと表示されます。この方法では：

ΔH°f = H final-H initial

Δ：最終状態と初期状態のエネルギーの変化または変化を象徴するギリシャ文字。下付きのfは、化合物の形成と上付きまたは標準の条件を示します。

例

液体水の生成反応を考える

H2（g）+½O2（g）H2O（l）ΔH°f = -285.84 kJ / mol

試薬：水素と酸素その自然な状態は気体です。

製品：1モルの液体水。

定義による生成エンタルピーは、生成された化合物1モルに対するものであるため、前の例に見られるように、可能であれば、反応を分数係数で調整する必要があることに注意してください。

発熱および吸熱反応

化学プロセスでは、反応が吸熱性である場合、形成のエンタルピーは正のΔHof> 0、つまり反応が媒体から熱を吸収する場合、または反応が発熱してシステムからの熱の放出がある場合は負のΔHof<0になります。

発熱反応

反応物は製品よりも高いエネルギーを持っています。

ΔH°f <0

吸熱反応

反応物は生成物よりもエネルギーが低い。

ΔH°f> 0

化学式を正しく書くためには、分子的にバランスが取れていなければなりません。「物質保存の法則」に準拠するためには、反応状態と生成物の物理的状態に関する情報も含まれている必要があります。これは、凝集状態として知られています。

純粋な物質は、標準状態で最も安定した形でゼロの形成エンタルピーを持っていることも考慮に入れなければなりません。

反応物と生成物がある化学系では、反応のエンタルピーは標準条件下での生成のエンタルピーに等しい。

ΔH°rxn =ΔH°f

上記を考慮して、次のことを行う必要があります。

ΔH°rxn = productnproducts H ∑nreactive products Hreactive

次の架空の反応を考えると

aA + bB cC

ここで、a、b、cはバランスの取れた化学方程式の係数です。

反応のエンタルピーの式は次のとおりです。

ΔH°rxn = cΔH°f C（aΔH°f A + bΔH°f B）

仮定：a = 2 mol、b = 1 mol、およびc = 2 mol。

ΔH°f（A）= 300 KJ / mol、ΔH°f（B）= -100 KJ / mol、ΔH°f（C）= -30 KJ。ΔH°rxnを計算する

ΔH°rxn = 2mol（-30KJ / mol）-（2mol（300KJ / mol + 1mol（-100KJ / mol）= -60KJ-（600KJ-100KJ）= -560KJ

ΔH°rxn = -560KJ。

次に、それは発熱反応に対応します。

25°C、1 atmの圧力でのいくつかの無機および有機化合物の生成値のエンタルピー

エンタルピーを計算するための演習

演習1

次の反応に従って、NO2の反応エンタルピー（g）を求めます。

2NO（g）+ O2（g）2NO2（g）

次の反応エンタルピーの方程式を使用します。

ΔH°rxn = productnproducts H ∑nreactive products Hreactive

ΔH°rxn = 2mol（ΔH°f NO2）-（2molΔH°f NO + 1molΔH°f O2）

前のセクションの表では、酸素は純粋な化合物であるため、酸素の生成エンタルピーは0 KJ / molであることがわかります。

ΔH°rxn = 2mol（33.18KJ / mol）-（2mol 90.25 KJ / mol + 1mol 0）

ΔH°rxn = -114.14 KJ

化学システムにおける反応のエンタルピーを計算するもう1つの方法は、1840年にスイスの化学者Germain Henri Hessによって提案されたHESS LAWによるものです。

法律によれば、「反応物が生成物に変換される化学プロセスで吸収または放出されるエネルギーは、1つの段階で実行されても、複数の段階で実行されても同じです」。

演習2

アセチレンに水素を添加してエタンを形成することは、1つのステップで行うことができます。

C2H2（g）+ 2H2（g）H3CCH3（g）ΔH°f =-311.42 KJ / mol

または、次の2つの段階で発生することもあります。

C2H2（g）+ H2（g）H2C = CH2（g）ΔH°f =-174.47 KJ / mol

H2C = CH2（g）+ H2（g）H3CCH3（g）ΔH°f =-136.95 KJ / mol

両方の方程式を代数的に追加すると、次のようになります。

C2H2（g）+ H2（g）H2C = CH2（g）ΔH°f =-174.47 KJ / mol

H2C = CH2（g）+ H2（g）H3CCH3（g）ΔH°f =-136.95 KJ / mol

C2H2（g）+ 2H2（g）H3CCH3（g）ΔH°rxn = 311.42 KJ / mol

演習3

（quimitube.comから取得。演習26.ヘスの法則の熱力学）

問題の記述に見られるように、数値データは一部しか表示されませんが、化学反応は表示されないため、それらを記述する必要があります。

CH3CH2OH（l）+ 3O2（g）2CO2（g）+3 H2O（l）ΔH1= -1380 KJ / mol。

負のエンタルピーの値は、問題がエネルギーの放出があることを示しているために書かれています。また、10グラムのエタノールであることを考慮する必要があるため、エタノール1モルあたりのエネルギーを計算する必要があります。このため、次のことが行われます。

エタノールのモル重量（原子量の合計）が求められ、46 g / molに等しい値です。

ΔH1= -300 KJ（46 g）エタノール=-1380 KJ / mol

10 gエタノール1molエタノール

同じことが酢酸についても行われます：

CH3COOH（l）+ 2O2（g）2CO2（g）+ 2 H2O（l）ΔH2= -840 KJ / mol

ΔH2= -140 KJ（60 g酢酸）=-840 KJ / mol

10 gの酢酸1モルの酢酸。

これまでの反応ではエタノールと酢酸の燃焼について述べたので、エタノールを酢酸に酸化して水を生成するという問題式を書く必要があります。

これは問題が要求する反応です。すでにバランスが取れています。

CH3CH2OH（l）+ O2（g）CH3COOH（l）+ H2O（l）ΔH3=？

ヘスの法則の適用

このために、熱力学方程式に数値係数を掛けて代数的にし、各方程式を正しく整理できるようにします。これは、1つ以上の反応物が方程式の対応する側にない場合に行われます。

問題の方程式で示されているように、エタノールは反応物側にあるため、最初の方程式は同じままです。

2番目の方程式には、反応物である酢酸が生成物になるように、係数-1を掛ける必要があります。

CH3CH2OH（l）+ 3O2（g）2CO2（g）+ 3H2O（l）ΔH1= -1380 KJ / mol。

-CH3COOH（l）-2O2（g）-2CO2（g）-2H2O（l）ΔH2=-（-840 KJ / mol）

CH3CH3OH + 3O2 -2O2-CH3COOH 2CO2 + 3H2O -2CO2

-2H2O

彼らは代数的に追加し、これは結果です：問題で要求された方程式。

CH3CH3OH（l）+ O2（g）CH3COOH（l）+ H2O（l）

反応のエンタルピーを決定します。

各反応に数値係数を掛けたのと同じように、エンタルピーの値も掛ける必要があります

ΔH3= 1xΔH1-1xΔH2= 1x（-1380）-1x（-840）

ΔH3= -1380 + 840 =-540 KJ / mol

ΔH3=-540 KJ / mol。

前の演習では、エタノールには燃焼と酸化という2つの反応があります。

すべての燃焼反応でCO2とH2Oが形成されますが、エタノールなどの第一級アルコールの酸化では酢酸が形成されます。

参考文献

1. セドロン、ファンカルロス、ビクトリアランダ、フアナロブレス（2011）。一般化学。教材。リマ：ペルーの教皇カトリック大学。
2. 化学。Libretexts。熱化学。hem.libretexts.orgから取得。
3. レバイン、I。物理化学。vol.2