反応エンタルピーと結合エネルギーの関係は？計算式と求め方も！（生成熱・燃焼熱・熱化学計算・エネルギー図など）というテーマでは、化学反応で熱が出る理由や、逆に熱を吸収する理由を理解することが大切です。
化学反応では、反応物の結合が切れ、生成物として新しい結合ができます。
このとき、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放出されます。
その差として表れるのが反応エンタルピーであり、生成熱や燃焼熱、熱化学方程式、エネルギー図の考え方にもつながります。
反応エンタルピーは、反応全体で出入りする熱エネルギーを表す量です。
一方で結合エネルギーは、分子の中にある化学結合を切るために必要なエネルギーを示します。
この2つを関連づけると、反応が発熱反応になるのか吸熱反応になるのかを、構造の変化から読み取れるようになります。
ここでは、反応エンタルピーと結合エネルギーの関係、計算式、求め方、生成熱や燃焼熱との違い、エネルギー図での見方まで、わかりやすく整理していきます。
反応エンタルピーと結合エネルギーの関係は結合を切るエネルギーと結合を作るエネルギーの差で決まる
それではまず反応エンタルピーと結合エネルギーの関係について解説していきます。
反応エンタルピーは、化学反応が進むときに出入りする熱量を表し、一定圧力のもとでは反応熱とほぼ同じ意味で扱われます。
結合エネルギーは、分子内の共有結合を1モル分切るために必要な平均的なエネルギーです。
反応では古い結合が切れて新しい結合が作られるため、結合エネルギーを使うと反応エンタルピーを概算できます。
基本的な考え方は、切る結合に必要なエネルギーから、作る結合で放出されるエネルギーを引くことです。
結合を切るときはエネルギーを吸収する
化学結合を切るには、原子同士を引き離す必要があります。
原子同士は電子を共有したり、電気的な引力で安定した状態を作ったりしているため、その安定状態を壊すには外部からエネルギーを与えなければなりません。
そのため、結合を切る過程は吸熱的です。
たとえば水素分子のH－H結合を切って水素原子に分けるには、結合解離エネルギーが必要になります。
この段階だけを見ると、エネルギーは反応系に取り込まれます。
エネルギー図では、反応物から一度高いエネルギー状態へ上がるように表されることが多いでしょう。
結合を作るときはエネルギーを放出する
反対に、原子同士が近づいて新しい結合を作ると、より安定な状態になります。
安定になるということは、系のエネルギーが下がるということです。
下がった分のエネルギーは、熱や光などとして外へ放出されます。
つまり、結合形成は発熱的な過程です。
生成物に強い結合が多くできるほど、放出されるエネルギーは大きくなります。
このため、燃焼反応のように酸素との強い結合が多く作られる反応では、大きな発熱が見られます。
差し引きで発熱反応か吸熱反応かが決まる
反応全体の熱の出入りは、結合を切るときに吸収したエネルギーと、結合を作るときに放出したエネルギーの差で決まります。
作られる結合から放出されるエネルギーのほうが大きければ、反応全体では発熱反応です。
反対に、結合を切るために必要なエネルギーのほうが大きければ、反応全体では吸熱反応になります。
反応エンタルピーを結合エネルギーで考えるときの核心は、反応物の結合を切るエネルギーと、生成物の結合を作るエネルギーの差です。
生成物の結合が強く、安定なほど、反応は発熱になりやすいでしょう。
反応エンタルピーの計算式と結合エネルギーを使った求め方
続いては反応エンタルピーの計算式と結合エネルギーを使った求め方を確認していきます。
結合エネルギーから反応エンタルピーを求める場合、反応式に含まれる結合の種類と本数を数えることが出発点になります。
そのうえで、切れる結合のエネルギーを合計し、できる結合のエネルギーを合計します。
最後に、切る側の合計から作る側の合計を引くことで、反応エンタルピーの概算値が得られます。
基本公式は切る結合の合計から作る結合の合計を引く
結合エネルギーを使った反応エンタルピーの計算式は、非常に覚えやすい形です。
反応エンタルピー ＝ 切る結合の結合エネルギーの合計 － 作る結合の結合エネルギーの合計。
ΔH ＝ ΣD反応物側 － ΣD生成物側。
ここでDは結合エネルギーを表します。
反応物側では、反応によって切れる結合を数えます。
生成物側では、反応によって新しく作られる結合を数えます。
この式でΔHが負になれば発熱反応、正になれば吸熱反応です。
負の値はエネルギーが外へ出ることを意味し、正の値はエネルギーが反応系へ入ることを意味します。
水素と塩素から塩化水素ができる反応で考える
具体例として、水素と塩素が反応して塩化水素ができる反応を考えます。
H2 ＋ Cl2 → 2HCl。
切る結合はH－H結合が1本、Cl－Cl結合が1本です。
作る結合はH－Cl結合が2本です。
仮にH－H結合を436kJ毎mol、Cl－Cl結合を242kJ毎mol、H－Cl結合を431kJ毎molとします。
切る結合の合計は436＋242で678kJです。
作る結合の合計は431×2で862kJになります。
反応エンタルピーは678－862で－184kJです。
したがって、この反応は発熱反応と判断できます。
平均結合エネルギーを使うため値は概算になる
結合エネルギーを使った反応エンタルピーの計算は便利ですが、厳密な値ではなく概算です。
理由は、同じ種類の結合でも、分子の種類や周囲の原子によって結合の強さが少し変わるためです。
たとえばC－H結合といっても、メタン中のC－H結合とエタン中のC－H結合では環境が違います。
教科書や資料集に載っている結合エネルギーは、多くの場合、平均結合エネルギーです。
そのため、精密な熱化学計算では標準生成エンタルピーを使う方法が選ばれることもあります。
| 計算方法 | 使う値 | 特徴 |
|---|---|---|
| 結合エネルギーによる計算 | 平均結合エネルギー | 分子構造から反応熱を概算しやすい |
| 生成熱による計算 | 標準生成エンタルピー | 実測値に基づき比較的正確に求めやすい |
| 燃焼熱による計算 | 標準燃焼エンタルピー | 有機化合物の反応熱計算で使いやすい |
生成熱や燃焼熱と反応エンタルピーの関係
続いては生成熱や燃焼熱と反応エンタルピーの関係を確認していきます。
反応エンタルピーは、どのような反応でも反応前後のエンタルピー差として考えられます。
その中でも、生成熱や燃焼熱は特定の反応について定義された反応エンタルピーです。
つまり、生成熱や燃焼熱は反応エンタルピーの一種として理解できます。
生成熱は単体から化合物ができるときの反応エンタルピー
生成熱とは、最も安定な単体から1モルの化合物が生成するときの反応エンタルピーです。
標準状態で測定されたものは、標準生成エンタルピーと呼ばれます。
たとえば水素と酸素から水ができる反応では、水の標準生成エンタルピーを使って熱化学計算ができます。
生成熱を使うと、複雑な反応でも反応物と生成物の値を表から読み取り、差を計算するだけで反応エンタルピーを求められます。
反応エンタルピー ＝ 生成物の標準生成エンタルピーの合計 － 反応物の標準生成エンタルピーの合計。
結合エネルギーの式とは符号の見え方が異なるため、混同しないことが重要です。
燃焼熱は物質が完全燃焼するときの反応エンタルピー
燃焼熱は、物質1モルが酸素と完全に反応して燃焼するときに発生する熱量です。
有機化合物では、完全燃焼により二酸化炭素と水が生成する場合が多くなります。
燃焼は一般に大きな発熱反応です。
炭素や水素が酸素と結びつき、C＝O結合やO－H結合のような強い結合が作られるためです。
結合エネルギーの視点では、燃焼によって安定な生成物ができるため、反応エンタルピーが大きく負になると考えられます。
ヘスの法則で反応経路を組み替えられる
生成熱や燃焼熱を使うときに欠かせないのがヘスの法則です。
ヘスの法則は、反応エンタルピーが反応経路に依存せず、最初と最後の状態だけで決まるという法則です。
直接測定しにくい反応でも、いくつかの既知の熱化学方程式を組み合わせれば求めることができます。
反応エンタルピーは状態量の差なので、途中の道筋を変えても合計は同じになります。
エネルギー図で見ると、どの経路を通っても最初の高さと最後の高さの差が同じになるイメージです。
エネルギー図で見る反応エンタルピーと結合エネルギー
続いてはエネルギー図で見る反応エンタルピーと結合エネルギーを確認していきます。
エネルギー図は、反応物、遷移状態、生成物のエネルギー関係を視覚的に示す図です。
反応エンタルピーは、反応物と生成物のエネルギー差として読み取れます。
一方で、結合エネルギーは反応物の結合を切る段階や生成物の結合形成に関係します。
発熱反応では生成物のエネルギーが低い
発熱反応のエネルギー図では、生成物のエネルギーが反応物より低く描かれます。
反応後のほうが安定であり、余ったエネルギーが熱として放出されるためです。
反応エンタルピーΔHは負の値になります。
燃焼反応や酸と塩基の中和反応などは、発熱反応の代表例です。
結合エネルギーの考え方では、生成物で作られる結合が十分に強いため、放出されるエネルギーが大きいと説明できます。
吸熱反応では生成物のエネルギーが高い
吸熱反応では、生成物のエネルギーが反応物より高くなります。
反応を進めるには外部からエネルギーを加える必要があります。
反応エンタルピーΔHは正の値です。
熱分解や一部の光化学反応では、外部エネルギーによって高いエネルギー状態の生成物が作られます。
結合エネルギーの視点では、切る結合に必要なエネルギーのほうが、作る結合から得られるエネルギーより大きい状態といえるでしょう。
活性化エネルギーと反応エンタルピーは別の量
エネルギー図では、反応エンタルピーと活性化エネルギーが同時に出てくることがあります。
反応エンタルピーは反応物と生成物のエネルギー差です。
活性化エネルギーは、反応物が遷移状態に到達するために越える必要があるエネルギーの山です。
そのため、発熱反応であっても活性化エネルギーが大きければ、反応はなかなか進みません。
触媒は活性化エネルギーを下げますが、反応エンタルピーそのものは変えません。
反応エンタルピーは反応の前後の差を表す量です。
活性化エネルギーは反応が始まるための壁を表す量です。
この2つを分けて理解すると、熱化学と反応速度の混同を防げます。
まとめ
反応エンタルピーと結合エネルギーの関係は、反応物の結合を切るために必要なエネルギーと、生成物の結合を作るときに放出されるエネルギーの差で説明できます。
結合を切る過程は吸熱的であり、結合を作る過程は発熱的です。
そのため、反応エンタルピーは、切る結合エネルギーの合計から作る結合エネルギーの合計を引いて概算します。
ΔHが負なら発熱反応、正なら吸熱反応です。
生成熱や燃焼熱は反応エンタルピーの一種であり、ヘスの法則を使えば直接測定しにくい反応熱も求められます。
また、エネルギー図では反応物と生成物の高さの差が反応エンタルピーに対応します。
結合エネルギーで考えると、化学反応の熱の出入りを分子構造の変化として理解できる点が大きなメリットです。
計算では平均結合エネルギーを使うため厳密値ではありませんが、反応の発熱性や吸熱性を見通すには非常に役立つ考え方でしょう。
