化学反応とエネルギー（知識）

ある反応を、外部と熱のやりとりができない断熱容器の中で行ったところ、容器内の温度が下がった。この反応では、生成物のエンタルピーの和が反応物のエンタルピーの和よりも大きく、反応エンタルピー $\Delta H$ は正の値になる。このように、反応に伴って周囲から熱を吸収する化学反応を何というか。漢字で答えよ。

次の反応式で表される反応の反応エンタルピー $\Delta H$ は、どの種類の反応エンタルピーにあたるか。最も適当なものを、次のア〜エから 1 つ選べ。
$$\frac{1}{2}{\mathrm{N}}_2(\text{気})+\frac{3}{2}{\mathrm{H}}_2(\text{気})\to \mathrm{N}{\mathrm{H}}_3(\text{気})\Delta H=-46\mathrm{kJ}$$
- ア　中和エンタルピー
- イ　燃焼エンタルピー
- ウ　溶解エンタルピー
- エ　$\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$ の生成エンタルピー

次のア〜エの変化のうち、光のエネルギーを吸収することによって起こる反応として最も適当なものを、次のア〜エから 1 つ選べ。
- ア　炭酸水素ナトリウムを試験管に入れて加熱すると、分解して二酸化炭素が発生する。
- イ　塩化銀 $\mathrm{AgCl}$ に光を当てると、分解して銀が遊離し、黒っぽくなる。
- ウ　化学かいろの中で、鉄粉が空気中の酸素と反応して温度が上がる。
- エ　水に電流を流すと、水素と酸素に分解する。

黒鉛 $\mathrm{C}$ 1 mol を完全燃焼させて二酸化炭素 $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ 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。
$$\mathrm{C}(\text{黒鉛})+{\mathrm{O}}_2(\text{気})⟶\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2(\text{気})\Delta H_3$$

経路 2: 黒鉛をいったん一酸化炭素 $\mathrm{CO}$ にしてから、$\mathrm{CO}$ を燃焼させる。
$$\mathrm{C}(\text{黒鉛})+\frac{1}{2}{\mathrm{O}}_2(\text{気})⟶\mathrm{CO}(\text{気})\Delta H_1$$
$$\mathrm{CO}(\text{気})+\frac{1}{2}{\mathrm{O}}_2(\text{気})⟶\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2(\text{気})\Delta H_2$$

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 $\Delta H_1$、$\Delta H_2$、$\Delta H_3$ 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　$\Delta H_1=\Delta H_2+\Delta H_3$
• イ　$\Delta H_3=\Delta H_1-\Delta H_2$
• ウ　$\Delta H_3=\Delta H_1+\Delta H_2$
• エ　$\Delta H_3=\Delta H_2-\Delta H_1$

化学反応によって生じた、エネルギーの高い状態の物質が、そのエネルギーを光として放出する現象を化学発光という。化学発光にあてはまる現象として最も適当なものを、次のア〜エから 1 つ選べ。
- ア　塩化銀 $\mathrm{AgCl}$ に光を当てると、分解して銀が生じ、黒っぽく変色する。
- イ　植物の葉の葉緑体で、光のエネルギーを使って二酸化炭素と水からグルコースと酸素がつくられる。
- ウ　化学かいろの中で、鉄粉が空気中の酸素と反応して温度が上がる。
- エ　ルミノールを塩基性の水溶液にとかし、過酸化水素 ${\mathrm{H}}_2{\mathrm{O}}_2$ を加えると、ルミノールが酸化されて青白く光る。

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、下のア〜エから 1 つ選べ。

気体分子中の共有結合 1 mol を切って気体の原子にするのに必要なエネルギーを、その結合の結合エネルギーという。共有結合を切るときには、エネルギーを（ a ）する。反応物も生成物もすべて気体である反応では、反応物の結合をすべて切って原子にし、その原子から生成物の結合をつくると考えることができる。そのため、反応物の結合エネルギーの和が生成物の結合エネルギーの和より大きい反応は、（ b ）反応である。

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、後のア〜エのうちから 1 つ選べ。ただし、変化は一定圧力のもとで起こるものとし、エンタルピー変化は $\Delta H$（発熱のとき $\Delta H<0$）で表す。

ドライアイス（固体の二酸化炭素）を大気圧のもとで室内に置いておくと、液体にならずに直接気体の二酸化炭素になる。
$$\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2(\text{固})⟶\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2(\text{気})$$
この状態変化を（ a ）といい、この変化のエンタルピー変化 $\Delta H$ は（ b ）の値をとる。

次の文中の空欄 a・b に入る語句の組み合わせとして正しいものを、下のア〜エから 1 つ選べ。

一定圧力のもとで物質が変化するとき、出入りする熱の総和（反応エンタルピーの総和）は、変化の前の状態と変化の後の状態だけで決まり、変化の途中の（ a ）にはよらない。この関係は 1840 年に見いだされ、（ b ）とよばれる。この関係を用いると、直接測定することが難しい反応の反応エンタルピーを、ほかの反応の反応エンタルピーを組み合わせて求めることができる。

反応物と生成物がすべて気体である、ある化学反応を考える。この反応では、反応物に含まれるすべての共有結合の結合エネルギーの総和が、生成物に含まれるすべての共有結合の結合エネルギーの総和よりも大きい。一定圧力のもとでこの反応が起こるとき、この反応の反応エンタルピー $\Delta H$ の符号と反応の種類の組み合わせとして最も適当なものを、次のア〜エから 1 つ選べ。

• ア　$\Delta H<0$ であり、発熱反応である。
• イ　$\Delta H>0$ であり、吸熱反応である。
• ウ　$\Delta H>0$ であり、発熱反応である。
• エ　$\Delta H<0$ であり、吸熱反応である。

化学反応と光の関係には、光を吸収して反応が起こる場合と、反応に伴って光が放出される場合がある。次のア〜オのうち、化学反応によって生じたエネルギーが光として放出される現象（化学発光）の例として最も適当なものを 1 つ選べ。

• ア　塩化銀に光を当てると、塩化銀が分解して銀が遊離し、黒ずんでいく。
• イ　水素と塩素の混合気体に強い光を当てると、爆発的に反応して塩化水素が生じる。
• ウ　酸化チタン(IV) に紫外線を当てると、その表面に付着した有機物が分解される。
• エ　ルミノールの塩基性水溶液に過酸化水素水を加え、触媒の存在下で反応させると、青白く光る。
• オ　植物の葉緑体で、光のエネルギーを用いて二酸化炭素と水からグルコースと酸素がつくられる。

発熱反応・吸熱反応と反応エンタルピー $\Delta H$ 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、反応は一定の圧力のもとで行うものとする。

• ア　発熱反応では、生成物のエンタルピーの総和は、反応物のエンタルピーの総和より大きい。
• イ　断熱した容器の中で吸熱反応が起こると、容器内の温度は上がる。
• ウ　吸熱反応の反応エンタルピー $\Delta H$ は、正の値である。
• エ　メタンが完全燃焼する反応の反応エンタルピー $\Delta H$ は、正の値である。
• オ　反応エンタルピー $\Delta H$ は、反応物のエンタルピーの総和から生成物のエンタルピーの総和を引いた値である。

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。

「物質が変化するときの反応エンタルピーの総和は、（ a ）だけで決まり、（ b ）には関係しない。この法則を用いると、直接測定することが難しい反応の反応エンタルピーを、ほかの反応の反応エンタルピーから計算で求めることができる。」

結合エネルギーと反応エンタルピーの関係について述べた文として正しいものを、次のア〜オからすべて選べ。ただし、反応エンタルピーは $\Delta H$ で表し、発熱反応では $\Delta H<0$ とする。

• ア　結合エネルギーとは、気体分子の中の共有結合 $1\mathrm{mol}$ を切断して、気体状態の原子にするのに必要なエネルギーである。
• イ　気体分子の共有結合を切断する変化は発熱反応であり、その $\Delta H$ は負の値になる。
• ウ　反応物と生成物がすべて気体である反応で、反応物の結合エネルギーの総和が生成物の結合エネルギーの総和より大きいとき、その反応は吸熱反応である。
• エ　変化 ${\mathrm{H}}_2(\text{気})⟶2\mathrm{H}(\text{気})$ の $\Delta H$ は、$\mathrm{H}-\mathrm{H}$ 結合の結合エネルギーと絶対値が等しく、正の値である。
• オ　結合エネルギーの値だけを用いれば、反応物や生成物に液体や固体を含む反応の反応エンタルピーも、すべて気体の反応の場合と同じように求めることができる。

ルミノールを塩基性の水溶液に溶かし、ヘキサシアニド鉄(III)酸カリウムなどを触媒として過酸化水素水を加えると、ルミノールが酸化されて青白い光が出る。このように、化学反応によって生じた高いエネルギー状態の物質が、そのエネルギーを熱ではなく光として放出する現象を何というか。漢字 4 文字で答えよ。

一定の圧力のもとで、同じ物質量の固体の水酸化ナトリウムを、次の 2 通りの方法で塩酸と反応させる。どちらの方法でも、用いる水・塩化水素の量は同じであり、最後には同じ温度・同じ組成の塩化ナトリウム水溶液になるものとする。

• 方法 1: 固体の水酸化ナトリウムをまず水に溶かして水溶液にし（段階 A）、その水溶液を塩酸と混ぜて中和させる（段階 B）。
• 方法 2: 固体の水酸化ナトリウムを、直接、塩酸に加えて溶かし、中和させる（段階 C）。

段階 A・B・C の反応エンタルピーをそれぞれ $\Delta H_{\mathrm{A}}$、$\Delta H_{\mathrm{B}}$、$\Delta H_{\mathrm{C}}$ とする。これらについて述べた文として最も適当なものを、次のア〜エから 1 つ選べ。

• ア　方法 2 は方法 1 より段階の数が少ないので、$\Delta H_{\mathrm{C}}$ の絶対値は $\Delta H_{\mathrm{A}}+\Delta H_{\mathrm{B}}$ の絶対値より小さくなる。
• イ　方法 1 は方法 2 より反応が終わるまでに長い時間がかかるので、$\Delta H_{\mathrm{A}}+\Delta H_{\mathrm{B}}$ の絶対値は $\Delta H_{\mathrm{C}}$ の絶対値より大きくなる。
• ウ　変化の始めの状態と終わりの状態が同じなので、$\Delta H_{\mathrm{A}}+\Delta H_{\mathrm{B}}$ は $\Delta H_{\mathrm{C}}$ と等しい。
• エ　$\Delta H_{\mathrm{A}}+\Delta H_{\mathrm{B}}$ と $\Delta H_{\mathrm{C}}$ が等しくなるのは中和反応の場合に限られ、溶解だけからなる変化などではこのような関係は成り立たない。

結合エネルギーと反応エンタルピー $\Delta H$ 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 $\Delta H<0$ とする。

• ア　${\mathrm{H}}_2(\text{気})⟶2\mathrm{H}(\text{気})$ の変化の $\Delta H$ は正の値であり、その大きさは $\mathrm{H}-\mathrm{H}$ 結合の結合エネルギーに等しい。
• イ　$2\mathrm{H}(\text{気})⟶{\mathrm{H}}_2(\text{気})$ 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、$\Delta H<0$ である。
• ウ　メタン $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4(\text{気})$ の 4 つの $\mathrm{C}-\mathrm{H}$ 結合をすべて切って $\mathrm{C}(\text{気})$ と $4\mathrm{H}(\text{気})$ にする変化の $\Delta H$ は、$\mathrm{C}-\mathrm{H}$ 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。

化学反応と光の関係について述べた文として最も適当なものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。ただし、反応エンタルピーは $\Delta H$ で表し、発熱反応では $\Delta H<0$ とする。

• ア　水素と塩素の混合気体は、暗所でも常温ですみやかに反応して塩化水素を生じ、光を当てても反応の進み方はほとんど変わらない。
• イ　光合成は、光エネルギーを吸収して二酸化炭素と水からグルコースなどの糖と酸素をつくる反応であり、全体として $\Delta H<0$ の反応である。
• ウ　酸化チタン(IV) $\mathrm{Ti}{\mathrm{O}}_2$ は、光（紫外線）が当たると、自身は変化せずに表面に付着した有機物などを分解する反応を促進するので、光触媒として利用されている。
• エ　臭化銀 $\mathrm{AgBr}$ に光を当てると、銀イオンが酸化されて銀が析出する。
• オ　ルミノールの反応のように、化学反応によって生じたエネルギーの高い状態の物質が光を放出する現象を、光化学反応という。

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〜エのうちから 1 つ選べ。ただし、変化はすべて一定の圧力のもとで起こるものとする。

「使い捨てカイロは、袋の中の鉄粉が空気中の酸素とゆっくり反応するときに、カイロが温かくなることを利用している。この鉄の酸化反応の反応エンタルピー $\Delta H$ は（ a ）の値である。一方、冷却パックは、硝酸アンモニウム $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3$ が水に溶けるときに、液の温度が下がることを利用している。この溶解では、生じた水溶液のエンタルピーは、溶解する前の硝酸アンモニウムと水のエンタルピーの和より（ b ）。」

ヘスの法則（総熱量保存の法則）について述べた文として正しいものを、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の圧力のもとで起こるものとし、反応エンタルピーは $\Delta H$ で表す。

• ア　黒鉛を完全燃焼させて直接二酸化炭素にする場合と、いったん一酸化炭素にしてからそれを燃焼させて二酸化炭素にする場合とでは、反応の経路が異なるので、出入りする熱の総和も異なる。
• イ　ヘスの法則が成り立つのは、反応物と生成物がすべて気体である反応に限られる。
• ウ　反応の途中で触媒を用いると、反応の経路が変わるので、最初の状態と最後の状態が同じでも反応エンタルピーの総和は変わる。
• エ　ある反応の逆向きの反応の反応エンタルピーは、もとの反応の反応エンタルピーと同じ符号・同じ大きさになる。
• オ　ヘスの法則を用いると、黒鉛から一酸化炭素だけが生じる反応のように直接測定するのが難しい反応の反応エンタルピーを、測定できるほかの反応の反応エンタルピーを組み合わせて求めることができる。

反応エンタルピーまたは状態変化に伴うエンタルピー変化の名称と、その名称のエンタルピー変化が反応エンタルピー $\Delta H$ となるように書いた化学反応式の組み合わせとして最も適当なものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。ただし、変化はすべて一定の圧力のもとで起こるものとし、$\mathrm{aq}$ は多量の水を表す。

• ア　水の生成エンタルピー：　$2{\mathrm{H}}_2(\text{気})+{\mathrm{O}}_2(\text{気})⟶2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\text{液})$
• イ　一酸化炭素の生成エンタルピー：　$\mathrm{CO}(\text{気})+\frac{1}{2}{\mathrm{O}}_2(\text{気})⟶\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2(\text{気})$
• ウ　水酸化ナトリウムの溶解エンタルピー：　$\mathrm{Na}(\text{固})+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\text{液})⟶\mathrm{NaOH}\mathrm{aq}+\frac{1}{2}{\mathrm{H}}_2(\text{気})$
• エ　塩酸と水酸化ナトリウム水溶液の中和エンタルピー：　$\mathrm{HCl}\mathrm{aq}+\mathrm{NaOH}\mathrm{aq}⟶\mathrm{NaCl}\mathrm{aq}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\text{液})$
• オ　水の蒸発エンタルピー：　${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\text{気})⟶{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\text{液})$

建物の外壁やガラスの表面に酸化チタン(IV) $\mathrm{Ti}{\mathrm{O}}_2$ を薄く塗っておくと、太陽光などに含まれる紫外線が当たったときに、表面に付着した有機物の汚れが酸化・分解されやすくなる。このとき酸化チタン(IV) 自身は、反応の前後で変化しない。このように、光を吸収することで、自身は変化せずに化学反応を促進するはたらきをもつ物質を何というか。漢字 3 文字で答えよ。

一定圧力のもとで、赤熱したコークス（炭素）に水蒸気を吹き込むと、次の反応が起こり、一酸化炭素と水素が生じる。

$$\mathrm{C}(\text{黒鉛})+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\text{気})⟶\mathrm{CO}(\text{気})+{\mathrm{H}}_2(\text{気})\Delta H=+131\mathrm{kJ}$$

この反応では、生成物がもつエンタルピーの総和が、反応物がもつエンタルピーの総和よりも大きい。そのため、反応を続けるには外部から熱を加え続ける必要があり、加熱をやめると反応系とその周囲の温度が下がって反応はやがて止まる。

このように、反応エンタルピー $\Delta H$ が正の値となり、反応に伴って周囲から熱を取り込む化学反応を何というか。漢字で答えよ。

反応エンタルピーの種類と、状態変化に伴うエンタルピー変化に関する記述として誤っているものを、次のア〜オから 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する。

• ア　燃焼エンタルピーは、物質 $1\mathrm{mol}$ が完全燃焼するときの反応エンタルピーであり、その値は常に負である。
• イ　生成エンタルピーは、化合物 $1\mathrm{mol}$ がその成分元素の単体から生じるときの反応エンタルピーである。
• ウ　溶解エンタルピーは、物質 $1\mathrm{mol}$ が多量の溶媒に溶けるときのエンタルピー変化であり、その値はどの物質でも負である。
• エ　中和エンタルピーは、酸と塩基が中和反応して水 $1\mathrm{mol}$ が生じるときの反応エンタルピーである。
• オ　水蒸気が凝縮して液体の水になるときのエンタルピー変化は、負の値である。

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 $\Delta H$ 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 ${\mathrm{H}}_2$ が酸素 ${\mathrm{O}}_2$ と反応して、液体の水 ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$ が生じる。
• イ　炭酸カルシウム $\mathrm{CaC}{\mathrm{O}}_3$ が分解して、酸化カルシウム $\mathrm{CaO}$ と二酸化炭素 $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ が生じる。
• ウ　酸化カルシウム $\mathrm{CaO}$ が水と反応して、水酸化カルシウム $\mathrm{Ca}(\mathrm{OH}{)}_2$ が生じる。
• エ　硝酸アンモニウム $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_4\mathrm{N}{\mathrm{O}}_3$ 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。

次の化学反応式で表される変化のうち、その反応エンタルピー $\Delta H$ が、ある物質の生成エンタルピーであり、同時に別のある物質の燃焼エンタルピーでもあるものとして最も適当なものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。ただし、生成エンタルピー・燃焼エンタルピーは 25 ℃、$1.013\times 10^5\mathrm{Pa}$ における値とし、燃焼で生じる水は液体とする。

• ア　$\frac{1}{2}{\mathrm{N}}_2(\text{気})+\frac{3}{2}{\mathrm{H}}_2(\text{気})⟶\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3(\text{気})$
• イ　${\mathrm{H}}_2(\text{気})+\frac{1}{2}{\mathrm{O}}_2(\text{気})⟶{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\text{気})$
• ウ　$\mathrm{CO}(\text{気})+\frac{1}{2}{\mathrm{O}}_2(\text{気})⟶\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2(\text{気})$
• エ　$\mathrm{C}(\text{黒鉛})+{\mathrm{O}}_2(\text{気})⟶\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2(\text{気})$
• オ　$2{\mathrm{H}}_2(\text{気})+{\mathrm{O}}_2(\text{気})⟶2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\text{液})$

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 $\Delta H$（発熱反応で $\Delta H<0$）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 $\Delta H$ 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 $\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4$ の燃焼で、生成物の水が液体である場合の $\Delta H$ 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。」

断熱容器に入れた $25{}^{\circ }\mathrm{C}$ の水に、$25{}^{\circ }\mathrm{C}$ 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 $25{}^{\circ }\mathrm{C}$ 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 $\Delta H$ で表し、発熱変化では $\Delta H<0$ 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、$\Delta H<0$ である。
• イ　$\Delta H$ 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 $\Delta H$ 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。