化学反応とエネルギー（知識）の問題

難易度 3共通テストレベル高校化学化学反応とエネルギー（知識）

結合エネルギーと反応エンタルピー $Δ H$ の関係について述べた文として誤っているものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。ただし、反応や変化はすべて一定圧力のもとで起こるものとし、発熱反応では $Δ H < 0$ とする。

ア　 $H_{2} (気) ⟶ 2 H (気)$ の変化の $Δ H$ は正の値であり、その大きさは $H - H$ 結合の結合エネルギーに等しい。
イ　 $2 H (気) ⟶ H_{2} (気)$ の変化は、原子どうしが結合をつくる変化なので発熱反応であり、 $Δ H < 0$ である。
ウ　メタン $C H_{4} (気)$ の 4 つの $C - H$ 結合をすべて切って $C (気)$ と $4 H (気)$ にする変化の $Δ H$ は、 $C - H$ 結合の結合エネルギーの 4 倍として表される。
エ　反応物と生成物がすべて気体の反応では、反応エンタルピーは「（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）」で求められる。
オ　反応物や生成物に液体や固体が含まれる反応では、結合エネルギーの値だけでは反応エンタルピーを求めることができず、蒸発エンタルピーなどの状態変化に伴うエンタルピー変化も考える必要がある。

この問題で使うもの

結合エネルギーと反応エンタルピーの関係（説明と入口の問題）

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ヒント

行き詰まったら、上から順に 1 つずつ開いてください。

ヒント 1

結合エネルギーの定義（気体分子の結合 1 mol を切って気体の原子にするのに必要なエネルギー）と、結合を切る・つくるときの熱の出入りを思い出そう。

ヒント 2

反応を「反応物の結合をすべて切る」段階と「原子から生成物の結合をつくる」段階に分け、ヘスの法則で $Δ H$ を足し合わせてみよう。結合を切る段階は $Δ H > 0$ 、つくる段階は $Δ H < 0$ である。

ヒント 3

ア・イは結合を切る・つくる変化そのもの、ウは $C - H$ 結合エネルギーの決め方、オは結合エネルギーが気体についての値であることに注目すれば正誤が判断できる。残りの選択肢の式の引き算の順序を確かめよう。

答えと解説

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エ

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解説を読む

結合エネルギーは、気体の分子中の共有結合 $1 mol$ を切って、ばらばらの気体の原子にするのに必要なエネルギーである。結合を切る変化は吸熱（ $Δ H > 0$ ）、結合ができる変化は発熱（ $Δ H < 0$ ）である。

反応物と生成物がすべて気体の反応は、ヘスの法則により「反応物の結合をすべて切って気体の原子にする（吸熱）」→「その原子から生成物の結合をつくる（発熱）」という 2 段階に分けて考えられる。したがって
$Δ H = (反応物の結合エネルギーの総和) - (生成物の結合エネルギーの総和)$
となる。

ア　正しい。 $H - H$ 結合を切る変化そのものであり、吸熱で $Δ H$ は正、大きさは $H - H$ の結合エネルギーに等しい。
イ　正しい。アの逆向きの変化で、結合ができるときはエネルギーが放出されるので $Δ H < 0$ である。
ウ　正しい。 $C - H$ 結合の結合エネルギーは、メタンの 4 つの $C - H$ 結合をすべて切るのに必要なエネルギーの $\frac{1}{4}$ として定められているので、この変化の $Δ H$ は $C - H$ 結合の結合エネルギーの 4 倍で表される。
エ　誤り。引き算の順序が逆である。正しくは「（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）」である。たとえば、生成物の結合のほうが強い（結合エネルギーの総和が大きい）反応は発熱反応で $Δ H < 0$ となるが、エの式では正の値になってしまう。
オ　正しい。結合エネルギーは気体の分子についての値なので、液体や固体を含む反応では、気体にするための蒸発エンタルピーや昇華エンタルピーなども組み合わせて考える必要がある。

よって、誤っているものはエである。

別解

結合エネルギーは結合1 molを切るのに必要なエネルギー（正の値）である。
ア: 正しい。H-H結合を切る変化は吸熱で $Δ H > 0$ 、その大きさは H-H結合の結合エネルギーに等しい。
イ: 正しい。結合をつくる変化はアの逆で発熱、 $Δ H < 0$ 。
ウ: 正しい。CH4の4つのC-H結合をすべて切るので、 $Δ H$ はC-H結合の結合エネルギーの4倍（平均値）。
エ: 誤り。気体どうしの反応では、反応物の結合を切るのに吸収するエネルギーから、生成物の結合ができるときに放出するエネルギーを引くので、 $Δ H$ ＝（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）である。文は引く順が逆（符号が逆）になっている。例: $H_{2} + C l_{2} \to 2HCl$ で $Δ H = (436 + 243) - 2 \times 432 = - 185$ kJ（発熱で負）となるが、文の式だと $+ 185$ kJ になり発熱反応で $Δ H < 0$ という約束に反する。
オ: 正しい。結合エネルギーは気体状態の分子・原子についての値なので、液体・固体が含まれるときは蒸発エンタルピーなどの状態変化のエンタルピー変化も考える必要がある。
よって誤っているものはエ。

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