化学反応とエネルギーの問題

次のデータを用いて、メタンの燃焼で放出される熱量を求めたい。

• 結合エネルギー：$\text{C-H}$ $416\text{kJ/mol}$、$\text{O-H}$ $463\text{kJ/mol}$、$\text{O=O}$ $498\text{kJ/mol}$
• 黒鉛の昇華：$\text{C}(\text{黒鉛})⟶\text{C}(\text{気})\Delta H=+717\text{kJ}$
• 二酸化炭素の生成：$\text{C}(\text{黒鉛})+{\text{O}}_2(\text{気})⟶{\text{CO}}_2(\text{気})\Delta H=-394\text{kJ}$
• 水の蒸発：${\text{H}}_2\text{O}(\text{液})⟶{\text{H}}_2\text{O}(\text{気})\Delta H=+44\text{kJ}$

${\text{CO}}_2$ 分子は 2 つの $\text{C=O}$ 結合をもち、2 つの結合エネルギーは等しいとする。$\text{C=O}$ 結合の結合エネルギーは与えられていないので、上のデータから求めて用いること。また、どの分子中の $\text{O-H}$ 結合も同じ結合エネルギーをもつとする。

メタン ${\text{CH}}_4$（気体）$4.0\text{g}$ を十分な量の酸素と一定圧力のもとで完全燃焼させ、生じた水をすべて液体にしたとき、放出される熱量は何 kJ か。原子量は $\text{H}=1.0$、$\text{C}=12$ とし、有効数字 2 桁で求めよ。

$25{}^{\circ }\text{C}$、$1.013\times 10^5\text{Pa}$ において、黒鉛 $\text{C}$、水素 ${\text{H}}_2$、エタノール ${\text{C}}_2{\text{H}}_5\text{OH}$（液体）の燃焼エンタルピーは次のとおりである。ただし、燃焼で生じる水はすべて液体とする。

• 黒鉛 $\text{C}$: $-394\text{kJ/mol}$
• 水素 ${\text{H}}_2$: $-286\text{kJ/mol}$
• エタノール ${\text{C}}_2{\text{H}}_5\text{OH}$（液体）: $-1368\text{kJ/mol}$

これらの値を用いて、液体のエタノールの生成エンタルピーは何 $\text{kJ/mol}$ か。整数で答えよ。

赤熱したコークス（黒鉛とみなす）に水蒸気を通すと、次の反応で一酸化炭素と水素が得られる。

$$\text{C}(\text{黒鉛})+{\text{H}}_2\text{O}(\text{気})⟶\text{CO}(\text{気})+{\text{H}}_2(\text{気})(\ast )$$

この反応は吸熱反応であるため、必要な熱は、別に用意した黒鉛を酸素で完全燃焼させて二酸化炭素にすることで供給する。

$25{}^{\circ }\text{C}$、$1.013\times 10^5\text{Pa}$ における次のデータを用いる。

• 黒鉛の燃焼エンタルピー: $-394\text{kJ/mol}$
• 一酸化炭素（気体）の燃焼エンタルピー: $-283\text{kJ/mol}$
• 水素（気体）の燃焼エンタルピー: $-286\text{kJ/mol}$（生じる水は液体）
• 水の蒸発エンタルピー: $44\text{kJ/mol}$

反応 $(\ast )$ によって水素 $1.0\text{mol}$ をつくるとき、反応 $(\ast )$ で消費される黒鉛と、熱を供給するために燃焼させる黒鉛を合わせて、黒鉛は何 $\text{g}$ 必要か。有効数字 2 桁で答えよ。ただし、反応はすべて $25{}^{\circ }\text{C}$、$1.013\times 10^5\text{Pa}$ で完全に進むものとし、燃焼で発生した熱はすべて反応 $(\ast )$ に使われるものとする。原子量は $\text{C}=12$ とする。

密閉容器に黒鉛 $7.2\text{g}$ と酸素 $16.0\text{g}$ を入れて点火したところ、黒鉛と酸素はどちらも残らずに反応し、生成物は一酸化炭素 $\text{CO}$ と二酸化炭素 ${\text{CO}}_2$ だけであった。

$25{}^{\circ }\text{C}$、$1.013\times 10^5\text{Pa}$ における黒鉛の燃焼エンタルピーは $-394\text{kJ/mol}$、一酸化炭素（気体）の燃焼エンタルピーは $-283\text{kJ/mol}$ である。反応前後の物質はすべて $25{}^{\circ }\text{C}$、$1.013\times 10^5\text{Pa}$ にあるとみなし、反応エンタルピーはこれらの値から計算できるものとする。原子量は $\text{C}=12$、$\text{O}=16$ とする。

この反応で発生した熱量は何 $\text{kJ}$ か。有効数字 2 桁で答えよ。

アンモニア ${\text{NH}}_3$ は燃焼しても二酸化炭素を出さない燃料として注目されている。アンモニアを完全燃焼させると、窒素 ${\text{N}}_2$ と水 ${\text{H}}_2\text{O}$ が生じる。

$25{}^{\circ }\text{C}$、$1.013\times 10^5\text{Pa}$ におけるアンモニア（気体）の生成エンタルピーは $-46\text{kJ/mol}$、水（液体）の生成エンタルピーは $-286\text{kJ/mol}$ である。

アンモニアを完全燃焼させて $1.0\times 10^3\text{kJ}$ の熱を得るには、アンモニアは何 $\text{g}$ 必要か。ただし、反応は $25{}^{\circ }\text{C}$、$1.013\times 10^5\text{Pa}$ で行い、生じる水はすべて液体とする。原子量は $\text{H}=1.0$、$\text{N}=14$ とし、有効数字 2 桁で答えよ。