化学変化と物理変化・反応熱と熱化学方程式

~乙種第4類危険物取扱者試験の化学変化と物理変化・反応熱と熱化学~

化学変化と物理変化・反応熱と熱化学方程式について解説しています。水素と酸素が分子の数で2対1の割合で混合した気体に、電気火花を飛ばすと、爆発を起こして水が合成される。化学変化の際に生成物ができる以外に、必ず発熱又は吸熱が伴う。この熱を反応熱といい、発熱の場合を発熱反応、吸熱の場合を吸熱反応という。燃焼とは、酸素と化合する一種の発熱反応である。

~化学変化と物理変化~

水素と酸素が分子の数で2対1の割合で混合した気体に、電気火花を飛ばすと、爆発を起こして水が合成される。このように2以上の物質が結びついて全く性質の異なった新しい物質を生成することを化合といい、化合によって生じた物質を化合物という。この反対に、炭酸水素ナトリウムを加熱すると、二酸化炭素、水、炭酸ナトリウムに分解する。
このように、化合や分解により、物質が本質を失って新しい性質を持った物質を生成する変化を化学変化という。
ところが、氷を熱すると水になり、さらに熱すると水蒸気になるが、これは固体が液体に、液体が気体に状態の変化をしただけで、水そのものの性質は少しも変わっていない。また海水を煮詰めると食塩ができるが、この食塩を水に溶かすともとの海水にもどすことができる。この場合も物質本来の性質には変化はみられない。
このように、物質の本質に変化が起こらないで、状態や形などが変わることを物理変化という。

化学変化の例
・木炭が燃えて完全燃焼すると二酸化炭素になる。
・鉄を空気中に放置すると赤錆ができる。
・水を電気分解すると水素と酸素とに分かれる。
・炭化カルシウムに水をかけると発熱しアセチレンガスを発生する。
・生石灰が水分を吸収して消石灰になる。
・石灰石に塩酸をかけると二酸化炭素の泡が発生する。
物理変化の例
・氷が溶けて水になる。
・ドライアイスが常温、常圧で二酸化炭素になる。
・ニクロム線に電気を通ずると熱くなる。
・原油を蒸留してガソリンをつくる。
・ゴマの種子を圧搾してゴマ油をつくる。

~反応熱と熱化学方程式~

(1)反応熱
化学変化の際に生成物ができる以外に、必ず発熱又は吸熱が伴う。この熱を反応熱といい、発熱の場合を発熱反応、吸熱の場合を吸熱反応という。燃焼とは、酸素と化合する一種の発熱反応である。
反応熱には次のようなものがある。
①生成熱
化合物1モルが成分元素から生成するときに発生又は吸収する熱量。
②分解熱
生成熱と逆に分解するときの熱量。
③燃焼熱
物質1モルが燃焼するときに発生する熱量。(物質の単位を1kg又は1m3とすることもある。)

(2)熱化学方程式
熱化学方程式とは、化学変化の際に伴う熱量を、化学反応式に記入し、熱エネルギーの変化を同時に示した方程式をいう。この場合に、熱量をジュールで表し、発熱のときは(+)の記号を、吸熱のときは(-)の記号をつける。
発熱反応の場合
(炭素と酸素が化合して、二酸化炭素を生成する場合)
C(無定形)+O2(気)=co2(気)+410.76kJ(97.8kcal)
この方程式は無定形固体の炭素12gと、気体の酸素22.4リットル又は質量32gと化合して、気体の二酸化炭素22.4リットル又は質量44gを生成し、その時に410.76kJ(97.8kcal)の熱量を発生するという意味を表す。
吸熱反応の場合
(炭素と硫黄が化合して、二硫化炭素を生成する場合)
C(無定形)+2S(斜方硫黄)=CS2(気)-109.2kJ(26kcal)
この方程式は無定形固体の炭素12gと固体の斜方硫黄64gと化合して、気体の二硫化炭素22.4リットル又は質量にして76gを生成し、そのときに109.2kJ(26kcal)の熱量が吸収される。という意味を表す。

(3)反応熱の計算例
燃焼熱を求める計算
メタン4gを完全燃焼すると、233.44kJ(53.2kcal)の熱量が発生するとする。
(水素の原子量は1、炭素の原子量は12)
CH4+2O2=CO2+H2O+xkJ
(解答)メタン1モル(CH4=16)16gが完全燃焼したときxkJの熱が発生するので、4g→ 223.44kJ   16g→xkJ
x=223.44×(16/4)=893.76kJ(212.8kcal)

(4)反応速度
化学反応の速さを反応速度といい、単位時間内に反応する物質がどれだけ減少するか、又は生成する物質がどれだけ増加するか、その変化量で示される。
物質の変化量は、物質の濃度の変化と比例するので、反応速度とは、単位時間内における反応物質の濃度変化で表すのが一般的である。
反応速度は、それぞれの反応によって異なるが、同一の反応においても、反応に関与する物質の状態、温度、圧力、濃度等の条件により、反応速度は早くなったり、遅くなったりする。


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