化学反応とエネルギー
メタン1モル16 gを燃やすと890.8 kJの熱が放出されます。約2.7リットルの水を20 °Cから100 °Cまで温められる量です。
ドラッグで回転、スクロールまたはピンチで拡大・縮小。
ガスの炎のように熱くなる反応もあれば、周囲から熱を吸収する反応もあります。この違いは結合に由来します。化学結合を切るには必ずエネルギーが必要で、結合ができるときには必ずエネルギーが放出されます。例えば水素分子の結合を切るには、1モルあたり436 kJが必要です。反応全体で熱が出るか吸収されるかは、もとの結合を切るためのエネルギーと、新しい結合ができるときに出るエネルギーの大小で決まります。
発熱反応と吸熱反応
化学では、圧力が一定のときの反応熱をエンタルピー変化ΔHで測ります。生成物のエンタルピーが反応物より低ければ、その差が熱として放出されます。ΔHは負で、発熱反応です。生成物の方が高ければ、周囲から熱を吸収する必要があります。ΔHは正で、吸熱反応です。反応を逆にするとΔHの符号も逆になります。水素と酸素から水2モルができると571.6 kJが放出されるので、液体の水2モルを元素に分解するには571.6 kJが必要です。
燃料は、燃焼エンタルピーが大きな負の値をとる物質です。測定値には、1モルあたりメタン−890.8 kJ、水素−285.8 kJ、エタノール−1366.8 kJ、メタノール−726.1 kJがあります。1グラムあたりで比べると様子が変わります。メタンは約55.5 kJ、エタノールは約29.7 kJですが、軽い水素は約141.8 kJです。OpenStaxは、ガソリンの代表的な成分であるイソオクタン1リットルの燃焼で33,100 kJが出ると見積もっています。役立つ反応がすべて発熱反応とは限りません。大気上層では、紫外線によって進む吸熱過程で酸素からオゾンができます。また窒素と酸素から一酸化窒素2モルができるには180.5 kJを吸収するため、この反応は主にエンジンの非常に高温のシリンダー内で起きます。
燃料に火花が必要な理由
メタンの燃焼でそれほど多くのエネルギーが出るなら、台所の配管のガスが自然に燃え出さないのはなぜでしょうか。新しい結合をつくる前に、まず結合を切る必要があるからです。分子は、活性化エネルギーEₐという最低限のエネルギーを持って衝突し、山の頂上にある不安定な配置、遷移状態に達する必要があります。室温では、そのような高エネルギーの衝突はほとんどありません。火花やマッチが最初の反応にエネルギーを与えると、その反応で放出された熱が続く反応を支えます。
実験の曲線に沿って点を動かしましょう。上りでは結合が伸び、エネルギーが高まります。頂上では古い結合が半ば切れ、新しい結合が半ばできています。下りでは新しい結合が完成し、エネルギーが放出されます。山の高さは、次の単元で扱う反応の速さを決めます。両端の高さの差は、放出される熱量を決めます。ボタンで触媒をオンにすると、山が低い別の経路を通れるようになります。ただし両端の位置は変わらないので、ΔHは変化しません。
- ΔH = −890.8 kJの反応は、どれですか？
- 発熱反応
- 吸熱反応
- どちらでもない
- 起こり得ない
- 化学結合ができると、どうなりますか？
- エネルギーが放出される
- 必ずエネルギーが必要になる
- エネルギーは変化しない
- 質量が消える
- 2H₂ + O₂ → 2H₂O(l)のΔHは−571.6 kJです。逆反応2H₂O(l) → 2H₂ + O₂のΔHは何kJですか？
- メタン2 molの燃焼で出る熱は何kJですか（ΔH = 1 molあたり−890.8 kJ）？
- メタンは1グラムあたり約何kJを放出しますか（16.043 gあたり890.8 kJ）？
- 反応に必要な衝突エネルギーの最小値を何といいますか？
- 活性化エネルギー
- 燃焼エンタルピー
- 結合距離
- モル質量
- 触媒は何を変えますか？
- 山の高さ(Eₐ)
- 反応のΔH
- 生成物
- 反応物の質量
- 1グラムあたりに最も多くの熱を放出する燃料はどれですか？
- 水素
- メタン
- エタノール
- メタノール
- N₂ + O₂ → 2NOのΔHは+180.5 kJです。この反応はどれですか？
- 吸熱反応
- 発熱反応
- 燃料の燃焼
- エネルギー変化のない反応
- 結合を切るにはエネルギーが必要で、結合ができるとエネルギーが出ます。その差がΔHです。
- ΔH < 0なら発熱反応、ΔH > 0なら吸熱反応です。逆反応では符号が逆になります。
- 活性化エネルギーは衝突で越えるべき山の高さです。触媒はΔHを変えずにこの山を低くします。
このコースの出典 (14)
- OpenStax Chemistry 2e (openstax.org/books/chemistry-2e): 1.2 law of conservation of matter, 1.3 chemical change (rust, combustion, cooking and rotting)
- 4.1 balancing by inspection (CH4 + 2O2, 2H2O to 2H2 + O2, 2N2 + 5O2 to 2N2O5)
- 4.2 precipitation (PbI2 from KI and Pb(NO3)2, AgCl insoluble)
- redox (Na + Cl2, copper wire in silver nitrate)
- combustion, 5.1 specific heat of water 4.184 J/g °C, 5.3 enthalpy (ΔH < 0 exothermic; ΔHc CH4 −890.8, H2 −285.8, ethanol −1366.8, methanol −726.1 kJ/mol; 1.00 L isooctane 33,100 kJ; ozone formation endothermic)
- 12.2 factors affecting rates (sodium and iron in air, calcium and sodium in water, sawdust, rate roughly doubles per 10 °C, phosphorus in pure oxygen, air about 20% oxygen, H2O2 decomposition)
- 12.5 collision theory and Arrhenius equation (R = 8.314 J/mol/K, catalytic converters)
- 12.7 catalysis and enzymes
- NIST Chemistry WebBook methane ΔcH°gas −890.7 ± 0.4 kJ/mol (webbook.nist.gov)
- NIST CODATA Avogadro constant 6.022 140 76 × 10²³ mol⁻¹ exact (physics.nist.gov)
- IUPAC CIAAW abridged standard atomic weights (H 1.0080, C 12.011, N 14.007, O 15.999, Na 22.990, Ca 40.078, Fe 55.845, Sn 118.71; ciaaw.org)
- ACS International Historic Chemical Landmark, The Chemical Revolution of Antoine-Laurent Lavoisier (acs.org, Traité élémentaire de chimie 1789, quotation on conservation of mass)
- Lavoisier, memoir on the calcination of tin in closed vessels, Mémoires de l'Académie Royale des Sciences for 1774, published 1777 (via web.lemoyne.edu/giunta/classicalcs/lavoisier.html)
- PubChem sodium bicarbonate and acetic acid pages (pubchem.ncbi.nlm.nih.gov).
確認日: 2026-10-17