ヘスの法則（エネルギー図を使った解き方・実験）

1. 熱とエネルギー

1.1 熱とエネルギーの違い

熱化学の分野では、生成熱や燃焼熱などの「～熱」と表されるものと、結合エネルギーやイオン化エネルギーなどの「～エネルギー」と表されるものがあります。

これらには、明確な違いがあります。ここでは、これらの違いについて説明していきます。

 

熱化学における「熱」という言葉は、ある化学反応をしたときに放出するエネルギーのことを指します。

一方で、熱化学における「エネルギー」という言葉は、ある物質を不安定な状態にするために加えるエネルギーのことを指します。
すべての物質は安定の状態でいようとします。それを不安定な状態にするためには、その分熱量を加える必要があります。

 

1.2 エネルギーの大小

エネルギーの大きさと物質の安定性には関係性があり、エネルギーが高い物質は不安定、エネルギーが低い物質は安定となります。

また、物質の状態によってエネルギーの大小が決まっており、具体的には次のようになります。

このように、イオンが一番エネルギーが高く不安定、水和物が一番エネルギーが低く安定であると考えることができます。

これは、エネルギー図をつくるときにも役に立ちます。

 

2. エネルギー図

各物質がもつ化学エネルギーの大きさの相対的な関係を示した図のことをエネルギー図といいます。

エネルギー図では、エネルギーが小さい物質ほど下に、エネルギーが大きい物質ほど上に表記します。

以下では、エネルギー図の書き方について解説していきます。

 

まず、エネルギー図を作るにあたって、熱化学方程式を考えます。

ここでは、メタンの燃焼熱を例に進めていきましょう。

 

メタンの燃焼熱の熱化学方程式は次のようになります。

この方程式より、エネルギーの大小は、「反応物のエネルギーの総和」＞「生成物のエネルギーの総和」となるので、次のように書けます。

ここに、反応熱を書き加えます。メタンの燃焼熱は次のようになります。

最後にやじるしを書き、その隣に燃焼熱の値を書き込みます。しかし、「熱」と「エネルギー」でやじるしの書き方が変わります。

「熱」は下向きのやじるし、「エネルギー」は上向きのやじるしで表します。

 

3. ヘスの法則

物質が変化するときに出入りする総熱量は、「変化する前の物質の種類と状態」および「変化した後の物質の種類と状態」だけで決まり、その変化の経路や方法には無関係である、という法則のことをヘスの法則といいます。

ヘスの法則は、総熱量保存の法則とも呼ばれます。

 

言葉だけではわかりにくいので、具体例を用いて説明します。

変化する前の物質を黒鉛と気体の酸素、変化した後の物質を二酸化炭素とします。

この変化には次の２通りが考えられます。

【１つ目】

\( 1 \rm{mol} \) の \( C（黒）\)を完全燃焼させます。この反応の熱化学方程式は次のようになります。

\( \displaystyle C（黒） + O_2（気） = CO_2（気） + 394 \rm{kJ} \)

【２つ目】

まず、\( 1 \rm{mol} \) の \( C（黒） \)から、\( 1 \rm{mol} \) の \( CO（気） \)を生成します。その後、生成した\( 1 \rm{mol} \) の \( CO（気） \)を完全燃焼させます。

この２つの反応の熱化学方程式は次のようになります。

\( \displaystyle C（黒） + \frac{1}{2} O_2（気） = CO（気） + 111 \rm{kJ} \)

\( \displaystyle CO（気） + \frac{1}{2} O_2（気） = CO（気） + 283 \rm{kJ} \)

１つ目の反応における反応熱（\( 394 \rm{KJ} \)）は、２つ目の２つの反応の反応熱の総和（\( 283 + 111 = 394 \rm{kJ} \)）と等しくなります。

このような関係をヘスの法則というのです。

 

これらをエネルギー図にすると、次のようになります。