化学反応とエネルギー(知識)の問題
黒鉛 1 mol を完全燃焼させて二酸化炭素 にする変化は、次の 2 通りの経路で考えることができる。
経路 1: 黒鉛を一度に完全燃焼させる。
経路 2: 黒鉛をいったん一酸化炭素 にしてから、 を燃焼させる。
どちらの経路も、同じ温度・圧力のもとで、始めの状態(黒鉛 1 mol と酸素 1 mol)から終わりの状態(二酸化炭素 1 mol)まで変化するものとする。反応エンタルピー 、、 の関係を表す式として最も適当なものを、次のア〜エから 1 つ選べ。
- ア
- イ
- ウ
- エ
この問題で使うもの
- ヘスの法則(総熱量保存の法則)(説明と入口の問題)
この問題を解けるようになるまで(11 技能)
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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
ヘスの法則(総熱量保存の法則)を使う。反応エンタルピーの総和が何によって決まり、何によらないかを思い出そう。
ヒント 2
経路 1 と経路 2 の始めの状態・終わりの状態は同じである。経路 2 の 2 つの反応式を足し合わせると、どんな反応式になるか確かめよう。
ヒント 3
経路 2 の反応エンタルピーの総和は、段階ごとの と を足し合わせたものになる。これが経路 1 の とどんな関係になるかを考えよう。
答えと解説
答えを見る
ウ
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解説を読む
使う法則: ヘスの法則(総熱量保存の法則)
ヘスの法則とは、「反応エンタルピーの総和は、変化の始めの状態と終わりの状態だけで決まり、途中の経路(何段階で反応するか、など)にはよらない」という法則である。
手順 1: 始めと終わりの状態を確かめる
経路 1 も経路 2 も、始めの状態は「(黒鉛)1 mol と 1 mol」、終わりの状態は「 1 mol」で同じである。経路 2 の 2 つの式を足すと、 が両辺で消えて
すなわち となり、経路 1 の式と一致することからも確かめられる。
手順 2: 各経路の反応エンタルピーの総和を書く
- 経路 1 の総和:
- 経路 2 の総和: (段階ごとの反応エンタルピーを足し合わせる)
手順 3: ヘスの法則を当てはめる
始めと終わりの状態が同じなので、2 つの経路の総和は等しい。
よって答えは ウ である。
ほかの選択肢が誤りである理由
- ア: 正しい関係 を について解くと であり、 を足すのは誤り。
- イ: 経路 2 の 2 段階は続けて起こるので、反応エンタルピーは足し合わせる。 を引くのは誤り。
- エ: イと同様に、段階どうしの反応エンタルピーを引き算している点が誤り。
別解
ヘスの法則(総熱量保存の法則)により、反応エンタルピーは始めの状態と終わりの状態だけで決まり、経路によらない。経路 2 の 2 段階の反応を足すと
、すなわち となり、経路 1 と同じ変化になる。よって 。
ア : は と の和なので誤り。
イ : 差ではなく和なので誤り。
ウ : ヘスの法則に一致し正しい。
エ : 差ではなく和なので誤り。
よって答えはウ。