反応エンタルピーと反応式

反応エンタルピー $Δ H$ を付した反応式の意味（ $Δ H < 0$ は発熱、 $Δ H > 0$ は吸熱、係数は物質量、状態を（気）（液）（固）で書く）を読み取れ、燃焼・生成・中和・溶解・蒸発などの反応エンタルピーの定義に合わせて、ある物質 1 mol あたりの反応式を書いてその $Δ H$ を答えられる。逆向きの反応では $Δ H$ の符号が変わることを使える

前提

化学変化と熱・質量保存の法則（中学理科化学分野の用語と知識）
化学反応式と量的関係（高校化学物質量と化学反応式）

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化学反応式と量的関係（高校化学物質量と化学反応式）

説明

化学反応が起こると、熱の出入りがあります。反応式の右に反応エンタルピー $Δ H$ を書き添えると、「どの物質が何 mol 反応すると、どれだけの熱が出入りするか」を 1 つの式で表せます。この技能では、 $Δ H$ 付きの反応式を読み取ること、燃焼・生成・中和・溶解・蒸発などの決まりに合わせて「ある物質 1 mol あたり」の反応式を書くこと、実験の値からその $Δ H$ を求めることができるようになります。

なぜそうしてよいのか

物質はそれぞれ、内部にエネルギーをたくわえています。一定の圧力のもとで反応するとき、物質がもつこのエネルギーにあたる量をエンタルピーといい、記号 $H$ で表します。反応エンタルピーは $Δ H = (生成物のエンタルピーの和) - (反応物のエンタルピーの和)$ で、物質から見たエネルギーの変化です。発熱反応では物質がエネルギーを周囲に放出して減るので $Δ H < 0$ 、吸熱反応では周囲から受け取って増えるので $Δ H > 0$ になります。周囲から見た「出た熱」と符号が逆になることに注意します。

反応式の係数は物質量（mol）の比を表すので、 $Δ H$ は「係数どおりの物質量が反応したとき」の値です。反応させる量を 2 倍にすれば出入りする熱も 2 倍になるので、係数を何倍かすれば $Δ H$ も同じ倍になります。また、同じ物質でも固体・液体・気体でエネルギーが違う（例えば水は気体のほうが液体よりエネルギーが大きい）ため、状態を（気）（液）（固）で必ず書きます。

逆向きの反応は、出発点と終点を入れかえたものなので、エンタルピーの差の符号がちょうど逆になります。たとえば $H_{2} O$ （液） $\to H_{2} O$ （気）が $Δ H = + 44 kJ$ なら、 $H_{2} O$ （気） $\to H_{2} O$ （液）は $Δ H = - 44 kJ$ です。

手順

反応の種類から、「1 mol」にそろえる物質を決める。燃焼エンタルピーは燃える物質 1 mol、生成エンタルピーは生成する化合物 1 mol（成分の単体から）、中和エンタルピーは生じる水 1 mol、溶解エンタルピーは溶ける物質 1 mol、蒸発エンタルピーは蒸発する物質 1 mol
その物質の係数を 1 にして反応式を書き、ほかの係数を合わせる（分数の係数になってもよい）。例: $H_{2}$ （気） $+ \frac{1}{2} O_{2}$ （気） $\to H_{2} O$ （液）
すべての物質に状態（気）（液）（固）を付ける。水溶液中の物質は aq を付ける
問題の数値から、1 mol あたりの熱量を求める： $熱量 \div 反応した物質量$
符号を決める。熱が出る（発熱）なら $Δ H < 0$ 、熱を吸収する（吸熱）なら $Δ H > 0$ 。逆向きの反応なら符号を反対にする

例題

メタン $C H_{4}$ $3.20 g$ を完全燃焼させたところ、 $178 kJ$ の熱が発生した。生成する水は液体であるとする。メタンの燃焼エンタルピーは何 $kJ/mol$ か。符号を付けて、有効数字 3 桁で求めよ。原子量は $H = 1.0$ 、 $C = 12$ とする。

例題の解答

手順 1：燃焼エンタルピーなので、燃える物質であるメタン 1 mol にそろえる。

手順 2・3：メタンの係数を 1 にして、状態を付けた反応式を書く。
$C H_{4} （気） + 2 O_{2} （気） \to C O_{2} （気） + 2 H_{2} O （液）$

手順 4： $C H_{4}$ のモル質量は $12 + 1.0 \times 4 = 16 g/mol$ なので、反応した物質量は $\frac{3.20}{16} = 0.200 mol$ 。1 mol あたりの熱量は $\frac{178}{0.200} = 890 kJ$ 。

手順 5：熱が発生した（発熱）ので $Δ H$ は負。
$C H_{4} （気） + 2 O_{2} （気） \to C O_{2} （気） + 2 H_{2} O （液） Δ H = - 890 kJ$
よって、メタンの燃焼エンタルピーは $- 890 kJ/mol$ 。

答え: $- 890$

よくある誤り

発熱反応の $Δ H$ を正の値にしてしまう誤り。 $Δ H$ は物質のエンタルピーの変化なので、熱が出れば減る。正しくは、 $890 kJ$ 発熱するなら $Δ H = - 890 kJ$
生成エンタルピーの式を、化合物の係数を整数にそろえたまま書いてしまう誤り。例えば $2 H_{2}$ （気） $+ O_{2}$ （気） $\to 2 H_{2} O$ （液） $Δ H = - 572 kJ$ は水 2 mol 分。正しくは $H_{2}$ （気） $+ \frac{1}{2} O_{2}$ （気） $\to H_{2} O$ （液） $Δ H = - 286 kJ$ と、生成物 1 mol にそろえる
状態を書かない、または取り違える誤り。 $H_{2} O$ （気）と $H_{2} O$ （液）ではエンタルピーが違うので、同じ燃焼でも $Δ H$ が変わる。正しくは、問題の条件（生成する水は液体など）どおりに（気）（液）（固）を付ける
逆向きの反応で $Δ H$ の符号を変えない誤り。 $H_{2} O$ （液） $\to H_{2} O$ （気） $Δ H = + 44 kJ$ のとき、凝縮 $H_{2} O$ （気） $\to H_{2} O$ （液）を $+ 44 kJ$ としてしまう。正しくは $Δ H = - 44 kJ$

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

難易度 1（教科書の例題レベル）
水素と酸素から液体の水ができる反応は、反応エンタルピーを付して次のように表される。
$2 H_{2} (気) + O_{2} (気) ⟶ 2 H_{2} O (液) Δ H = - 572 kJ$
これをもとに、液体の水 $1 mol$ を水素と酸素に分解する反応
$H_{2} O (液) ⟶ H_{2} (気) + \frac{1}{2} O_{2} (気) Δ H = x kJ$
の $x$ の値を求めよ。ただし、どちらの反応も同じ温度・圧力のもとで考えるものとする。

この技能を使う問題

この技能の次に学べること

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ヘスの法則（高校化学化学反応とエネルギー）