化学反応とエネルギー（知識）の問題

難易度 4国公立二次の標準レベル高校化学化学反応とエネルギー（知識）

一定圧力のもとで起こる次のア〜オの変化のうち、変化に伴うエンタルピー変化 $Δ H$ が正の値となるもの（周囲から熱を吸収するもの）を、すべて選べ。

ア　水素 $H_{2}$ が酸素 $O_{2}$ と反応して、液体の水 $H_{2} O$ が生じる。
イ　炭酸カルシウム $CaC O_{3}$ が分解して、酸化カルシウム $CaO$ と二酸化炭素 $C O_{2}$ が生じる。
ウ　酸化カルシウム $CaO$ が水と反応して、水酸化カルシウム $Ca (OH)_{2}$ が生じる。
エ　硝酸アンモニウム $N H_{4} N O_{3}$ の結晶が多量の水に溶解する。
オ　水蒸気が凝縮して、液体の水になる。

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ヒント

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ヒント 1

それぞれの変化が、周囲に熱を放出するもの（発熱、 $Δ H < 0$ ）か、周囲から熱を吸収するもの（吸熱、 $Δ H > 0$ ）かを判断しよう。

ヒント 2

燃焼は必ず発熱である。状態変化では、分子間の引力を断ち切る向き（融解・蒸発）が吸熱、その逆向き（凝固・凝縮）が発熱である。また、加熱し続けないと進まない分解反応は吸熱である。

ヒント 3

アとオは $Δ H < 0$ と判断できる。残りのイ・ウ・エについて、加熱剤や冷却パックとして利用されている変化はどれかを思い出して判断しよう。

答えと解説

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イ, エ

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解説を読む

$Δ H < 0$ の変化は周囲に熱を放出する発熱の変化、 $Δ H > 0$ の変化は周囲から熱を吸収する吸熱の変化である。各変化を検討する。

ア　水素の燃焼である（ $H_{2} (気) + \frac{1}{2} O_{2} (気) ⟶ H_{2} O (液)$ ）。燃焼は必ず発熱反応なので $Δ H < 0$ 。あてはまらない。
イ　炭酸カルシウムの熱分解（ $CaC O_{3} (固) ⟶ CaO (固) + C O_{2} (気)$ ）は、加熱し続けないと進まない吸熱反応であり、 $Δ H > 0$ 。あてはまる。
ウ　酸化カルシウム（生石灰）と水の反応（ $CaO (固) + H_{2} O (液) ⟶ Ca (OH)_{2} (固)$ ）は多量の熱を発生する発熱反応で、加熱剤などに利用される。 $Δ H < 0$ 。あてはまらない。なお、この反応はイの逆反応ではない（イの逆反応は $CaO$ と $C O_{2}$ から $CaC O_{3}$ が生じる反応）。
エ　硝酸アンモニウムを水に溶かすと水溶液の温度が下がる。溶解エンタルピーが正（吸熱）であり、冷却パックに利用される。 $Δ H > 0$ 。あてはまる。
オ　液体が気体になる蒸発は、分子間の引力を断ち切るためにエネルギーを吸収する変化（ $Δ H > 0$ ）である。その逆の凝縮では同じ大きさの熱を放出するので $Δ H < 0$ 。あてはまらない。

よって、 $Δ H$ が正となるものはイとエである。

別解

ア: 水素の燃焼は発熱反応で $Δ H < 0$ 。
イ: 炭酸カルシウムの熱分解は吸熱反応で $Δ H > 0$ 。
ウ: 酸化カルシウムと水の反応は大きな発熱を伴い $Δ H < 0$ 。
エ: 硝酸アンモニウムの水への溶解は吸熱で $Δ H > 0$ （冷却パックに利用される）。
オ: 凝縮は熱を放出するので $Δ H < 0$ 。
よって $Δ H$ が正になるのはイとエ。

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難易度 4（国公立二次の標準レベル）

次の文中の空欄 a・b に入る語句の組み合わせとして最も適当なものを、下の表のア〜エから 1 つ選べ。ただし、反応はすべて一定圧力のもとで起こるものとし、反応エンタルピーは $Δ H$ （発熱反応で $Δ H < 0$ ）で表す。

「反応物と生成物がすべて気体である反応では、反応エンタルピー $Δ H$ は、各物質に含まれる共有結合の結合エネルギーを用いて、（ a ）として求めることができる。一方、メタン $C H_{4}$ の燃焼で、生成物の水が液体である場合の $Δ H$ を求めるときは、結合エネルギーから求めた値に、水の（ b ）に伴うエンタルピー変化を加える必要がある。」

	a	b
ア	（生成物の結合エネルギーの総和） $-$ （反応物の結合エネルギーの総和）	凝縮
イ	（反応物の結合エネルギーの総和） $-$ （生成物の結合エネルギーの総和）	蒸発
ウ	（生成物の結合エネルギーの総和） $-$ （反応物の結合エネルギーの総和）	蒸発
エ	（反応物の結合エネルギーの総和） $-$ （生成物の結合エネルギーの総和）	凝縮