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）

断熱容器に入れた $25^{\circ} C$ の水に、 $25^{\circ} C$ のある塩 X の固体を加えてかき混ぜたところ、外部から加熱も冷却もしていないのに X はすべて溶け、水溶液の温度は $25^{\circ} C$ より低くなった。実験は一定圧力のもとで行い、容器と外部との熱の出入りはないものとする。

この X の水への溶解（X の固体 $⟶$ X の水溶液）について述べた文として最も適当なものを、次のア〜オから 1 つ選べ。ただし、変化に伴うエンタルピー変化を $Δ H$ で表し、発熱変化では $Δ H < 0$ とする。

ア　水溶液の温度が下がったことから、この溶解は周囲に熱を放出する変化であり、 $Δ H < 0$ である。
イ　 $Δ H$ が正の値になる変化は、外部から加熱し続けない限り起こらない。
ウ　X の水溶液から X の固体が析出する変化（溶解の逆向きの変化）の $Δ H$ も、溶解と同じく正の値である。
エ　溶解後の状態（X が溶けた水溶液）のエンタルピーは、溶解前の状態（X の固体と水）のエンタルピーより大きい。
オ　同じ量の水に溶かす X の物質量を 2 倍にしても（すべて溶けるものとする）、溶解に伴って吸収される熱量は変わらない。

この問題で使うもの

発熱反応・吸熱反応と反応エンタルピーの符号（説明と入口の問題）
反応エンタルピーの種類（説明と入口の問題）

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ヒント

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ヒント 1

温度が下がったという結果から、この溶解が発熱変化か吸熱変化かを判断し、 $Δ H$ の符号と、変化前後のエンタルピーの大小の関係を考えます。

ヒント 2

$Δ H$ は「変化後のエンタルピー − 変化前のエンタルピー」です。また、逆向きの変化では $Δ H$ の符号が反対になり、出入りする熱量は物質量に比例します。

ヒント 3

温度が下がったので $Δ H > 0$ です。これだけでアは除けます。残りのイ・ウ・エ・オを、実験の事実（加熱していないのに溶けた）、逆向きの変化の符号、熱量と物質量の関係に照らして確かめましょう。

答えと解説

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エ

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解説を読む

断熱容器の中で温度が下がったのは、溶解のときに水溶液（系）が熱を吸収し、そのぶん水溶液自身の温度が下がったためである。したがって、この溶解は吸熱変化であり、 $Δ H > 0$ である。

一定圧力のもとでの $Δ H$ は
$Δ H = (変化後の状態のエンタルピー) - (変化前の状態のエンタルピー)$
なので、 $Δ H > 0$ ということは、変化後（水溶液）のエンタルピーが変化前（固体と水）のエンタルピーより大きいことを意味する。よってエが正しい。

ア：誤り。温度が下がるのは、変化が熱を吸収した（吸熱）からであり、発熱ではない。 $Δ H > 0$ である。
イ：誤り。この実験では、外部から加熱しなくても X はすべて溶けている。 $Δ H > 0$ の変化でも、加熱し続けなくても進むものがある。
ウ：誤り。逆向きの変化の $Δ H$ は、もとの変化の $Δ H$ と絶対値が等しく符号が反対になるので、析出の $Δ H$ は負である。
オ：誤り。出入りする熱量は変化する物質の量に比例するので、物質量を 2 倍にすると吸収される熱量も 2 倍になる。

別解

断熱容器内で温度が下がったので、溶解で周囲（水）から熱を吸収した。つまり溶解は吸熱変化で $Δ H > 0$ である。
ア: 誤り。温度が下がったのは吸熱変化のためで、 $Δ H > 0$ である。
イ: 誤り。 $Δ H > 0$ の吸熱変化でも、外部から加熱し続けなくても自然に起こるものがある。この実験自体が、加熱せずにXが溶けた例である。
ウ: 誤り。逆向きの変化の $Δ H$ は大きさが同じで符号が逆になるので、析出の $Δ H$ は負の値である。
エ: 正しい。吸熱変化では、変化後のエンタルピーが変化前より大きい（ $Δ H =$ 変化後 $-$ 変化前 $> 0$ ）。
オ: 誤り。吸収される熱量は溶かす物質量に比例するので、物質量を2倍にすると吸収される熱量も2倍になる。
よって最も適当なものはエ。

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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

難易度 3（共通テストレベル）
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。