「熱化学方程式は式が多くて大変…」
「いつも計算ミスをしてしまう」
「解くのに時間がかかってしまう」
あなたもこのように感じたことはありませんか？
熱化学方程式をきちんと解けるようにするのは、
なかなか難しいものです。
熱化学方程式が苦手になってしまう原因は、
そもそも熱化学方程式の解き方の基本を知らないからです。
ここでは化学が得意な人がみんなやっている、
熱化学方程式の基本の解き方を解説しますね。
ここの内容を身につけることで、
熱化学方程式でミスしたり時間がかかったりしなくなり、
テストで出るとサービス問題に見えるようになるでしょう。
熱化学方程式ってこんなに速く解けるんだ、
と驚くことでしょう。
本質的な解き方を理解せずに、
素早く正確に解くことはできません。
この記事を読んでぜひものにして見てください。
【合わせてチェック】
・エネルギー図の書き方！熱化学方程式を得意科目に
目次
熱化学方程式とは
「熱化学方程式」とは、
熱の受け渡しも考慮した化学反応式のことです。
例えば石炭を燃やしたりする反応は以下の通り。
化学反応式は左右の原子だけが一致していますが、
熱化学方程式では合計のエネルギーも一致するので、
「→」ではなく「=」でつなぎます。
この熱化学方程式は「Cを1mol反応させると394kJ発生する」という意味があります。
同様に一酸化炭素COを燃やした場合の熱化学方程式は以下です。
「COを1mol反応させると283kJ発生する」
という意味なので、COの係数を1にするためにO2の係数が分数になっています。
これは熱化学方程式特有ですね。
ヘスの法則
「ヘスの法則」は、
化学反応が起こっても全体のエネルギーは変わらない、
という法則で、熱力学的に言えば「エネルギー保存則」を指します。
ヘスの法則が成り立つからこそ、
熱化学方程式を考えると便利なんです。
例えば炭素を不完全燃焼させて一酸化炭素COを作るとき、
どうしてもCO2もできてしまって反応熱が測定しづらいです。
そこでヘスの法則を利用します。
C→CO2とCO→CO2の熱が測りやすいことを利用して、
C→COの反応熱を求めることができるのです。
このように実験をしなくても反応熱がわかるのが、
熱化学方程式の面白いところです。
熱化学方程式とエネルギー図
このようにエネルギーの計算に便利な熱化学方程式は、
エネルギー図を利用するのが基本中の基本です。
エネルギー図を利用することで、
意味もわからず計算するのではなく、
視覚的にエネルギーの関係を捉えることができます。
エネルギー図の書き方には「型」があるので、
きっちりと身につけていきましょう。
「エネルギー」と「熱」
まずは「エネルギー」と「熱」という言葉についてです。
化学で「エネルギー」という言葉を使う場合、
基本的には「必要なエネルギー」のことを指します。
つまり〜エネルギーと言われたら、
何か大変な作業をするために必要なエネルギーということです。
それに対応して、
化学で「熱」という言葉を使う場合は、
「放出するエネルギー」のことを指します。
まずはこの使い分けを理解しておきましょう。
エネルギーの順番
物質はエネルギーが低いほど安定です。
例えばO2やH2Oなどは空気中に存在しますが、
O原子やH原子がそのまま存在することはありませんよね。
このように物質の状態によって、
エネルギーの高低が決まっているのです。
熱化学方程式では、
「イオン・原子・単体・化合物・完全燃焼物・水和物」
の6つの状態が以下のエネルギーの順に並びます。
例えば先ほどの炭素の熱化学方程式は、
以下のようにエネルギー図を行き来しているだけです。
合わせてチェック：錯イオン形成反応
エネルギー図の書き方
エネルギーの順番を覚えたところで、
エネルギー図の書き方を学んでいきましょう。
さて、最初に説明した通り、
エネルギーは「必要なエネルギー」のこと、
熱は「放出するエネルギー」のことでしたね。
これをエネルギー図で考えると以下のようになります。
つまり、
・燃焼熱
・生成熱
・溶解熱
など「熱」がつくものは下矢印、
・結合エネルギー
・格子エネルギー
・イオン化エネルギー
など「エネルギー」がつくものは上矢印で書きます。
吸熱反応はエネルギーを必要としているため「エネルギー」と呼ぶべきですが、「溶解熱」「溶解エネルギー」などと呼び分けるのはわかりにくいので「マイナスの熱」として扱います。吸熱であっても発熱と全く同じように考えれば大丈夫です。
熱化学方程式の解き方
エネルギー図の書き方がわかったところで、
実際の問題を使って解き方を確認してみましょう。
解き方は、
①熱化学方程式をすべて書く
②それらをエネルギー図に書き込む
③エネルギー図から方程式を立てて解く
の流れです。
以下の問題を解きながら、
流れを理解していきましょう。
エタンの燃焼熱を求めよ。ただし、
H2+1/2O2 = H2O+286kJ
C(固)+O2 = CO2 + 394kJ
2C(固)+3H2 = C2H6+86kJ
とする。
①熱化学方程式をすべて書く
まずは熱化学方程式をすべて書きます。
このとき、求める熱は文字でおきましょう。
H2+1/2O2 = H2O+286kJ
C(固)+O2 = CO2 + 394kJ
2C(固)+3H2 = C2H6+86kJ
②それらをエネルギー図に書き込む
この熱化学方程式をすべてエネルギー図に書き込みます。
順番に書き込みましょう。
これでエネルギー図の完成です。
③エネルギー図から方程式を立てて解く
ここまできたらエネルギー図を見るだけです。
同じ高さの部分が同じエネルギーになることに注目しましょう。
複雑な計算なしに簡単に答えが求まりました。
練習問題を解きたい人は
練習問題を解きたい人は、
ぜひ以下の記事を読んでみてください。
エネルギー図に絞った記事で、
実践的な演習問題を扱っています。
まとめ
今回は熱化学方程式の解き方を解説しました。
熱化学方程式の解き方の基本は、
とにかくエネルギー図を書くことでした。
解き方をまとめるなら、
①熱化学方程式をすべて書く
- わからない熱を文字でおく
②それらをエネルギー図に書き込む
- イ・原・単・化・完燃・水和の順
- 「エネルギー」は上、「熱」は下
③エネルギー図から方程式を立てて解く
でしたね。
エネルギー図の書き方をマスターして、
確実に解けるようにしておきましょう。
きっと試験本番に、
「熱化学方程式！よっしゃ！」
と思えるようになります。
