ヘスの法則(エネルギー図を使った解き方・実験)

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東大塾長の山田です。

このページではヘスの法則について解説しています。

具体例を用いて理解しやすいように説明しています。是非参考にしてください。

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。

エネルギーの大小

イオン>原子>単体>化合物>完全燃焼後に残った物質>水和物

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。

\[CH_4(気)+2O_2(気)=CO_2(気)+2H_2O(液)+891kJ/mol\]

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】

\(1mol\)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。

\[C(黒)+O_2(気)=CO_2(気)+394 kJ\]

【2つ目】

まず、\(1mol\)の\(C(黒)\)から、\(1mol\)の\(CO(気)\)を生成します。その後、生成した\(1mol\)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。

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

\[CO(気)+\frac{1}{2}O_2(気)=CO(気)+283 kJ\]

1つ目の反応における反応熱(\(394 KJ\))は、2つ目の2つの反応の反応熱の総和(\(283+111=394 kJ\))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。

5. まとめ

最後にヘスの法則についてまとめておこうと思います。

  • 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す。
  • 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る。
  • 物質の状態におけるエネルギーはエネルギーが大きい順に、イオン>原子>単体>化合物>完全燃焼後に残った物質>水和物である。
  • 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、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する。
  • エネルギー図において、「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す。
  • 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う。ヘスの法則は、総熱量保存の法則とも呼ばれる。

 

 

ヘスの法則の考え方は熱化学方程式やエネルギー図に関する問題を解くうえで、かなり重要です。

ですが、考え方自体はすごく単純で理解しやすいと思います。しっかりマスターしてください!

 

 

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