熱力学3、エンタルピーとは?ヘスの法則の計算

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熱力学3、エンタルピーとは?ヘスの法則の計算

前回の熱力学2、熱力学第一法則と熱容量では熱力学第一法則などについて見てきました。今回はエンタルピーについて見ていきたいと思います。エンタルピーは薬学部で意味不明ランキングトップ10に入るくらいの難所であると思います(笑)その理由としては、薬学部が熱力学とほぼ無縁であることと、似た名前にエントロピーがあり、心を折ってきます。今回もなるべくわかりやすく解説したいと思うので頑張ってついてきてください。

 

 

エンタルピーとは

エンタルピーとは熱力学で使われる状態関数の1つで物質が持つエネルギーの総量で、以下のように定義されています。

 

  • H=U+pV

 

  • H;エンタルピー
  • U;内部エネルギー
  • p;圧力
  • V;体積

 

この式からわかるように、前回学んだ内部エネルギーに加えて圧力や体積のエネルギーを含めたものがエンタルピーであるとも言えます。

 

 

圧力や体積のエネルギーというといまいちパッとしませんが、気体はまわりに対して圧力で押しています。この空気が膨張して体積が増えたとしたら、まわりに対してpV分だけ仕事を加えたことになります。このようなエネルギーもエンタルピーは含んでいるのです。

 

定圧条件で、エンタルピー変化を表すΔHがプラスであればエネルギーの総量が増えているということになるので吸熱反応、逆にΔHがマイナスであればエネルギーの総量が減っているということになるので発熱反応であると言えます。

 

そして別ページで解説しますが、エントロピーとは全く異なります。概念を理解していれば誤ることはないですが、どうしても理解不能と言う人は、エンタ「ル」ピーはエネ「ル」ギーと「ル」つながりで覚えると良いでしょう。

 

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ヘスの法則

エンタルピーは状態関数であるため、全体の反応エンタルピーは、その反応が分割できれば個々の反応エンタルピーの和で表されます。これをヘスの法則と言います。例題をもとにヘスの法則の計算問題を見ていきます。

 

例題

ジメチルエーテルを完全に燃焼させたときの標準燃焼エンタルピーはいくつか答えよ。ただし生成する水は気体としそれぞれの標準生成エンタルピーは以下とする。

 

  • CH3OCH3(気体);−184
  • CO2(気体);−394
  • H2O(気体);−242

 

まずジメチルエーテルを完全に燃焼させたときの式は以下のようになります。

 

  • CH3OCH3(気体)+3O2(気体)→2CO2(気体)+3H2O(気体)

 

この式に合わせるように、それぞれの標準生成エンタルピーの化学式を書いていきます。

 

CH3OCH3(気体)
  • 2C(固体)+3H2(気体)+1/2O2(気体)→CH3OCH3(気体)

 

最初の完全燃焼させたときの式とCH3OCH3(気体)の数があっているので式の調節は不要です。つまり、標準生成エンタルピーは−184のまま使えます。

 

CO2(気体)
  • C(固体)+O2(気体)→CO2(気体)

 

こちらは最初の完全燃焼させたときの式とCO2(気体)の数があっていないので調節が必要です。

 

  • 2C(固体)+2O2(気体)→2CO2(気体)

 

標準生成エンタルピーは1molあたりなので、2×(−394)=−788となります。

 

H2O(気体)
  • H2(気体)+1/2O2(気体)→H2O(気体)

 

こちらもH2O(気体)の数が合っていないので調節が必要です。

 

  • 3H2(気体)+3/2O2(気体)→3H2O(気体)

 

同じく標準生成エンタルピーは1molあたりなので、3×(−242)=−726となります。

 

それぞれの式の合算

最初の式CH3OCH3(気体)+3O2(気体)→2CO2(気体)+3H2O(気体)となるようにさきほど調製した式を足し引きします。

 

2C(固体)+3H2(気体)+1/2O2(気体)→CH3OCH3(気体)のみCH3OCH3(気体)が反対にあるので引き算です。

 

2C(固体)+2O2(気体)→2CO2(気体)と3H2(気体)+3/2O2(気体)→3H2O(気体)は同じ側にあるので足し算となります。

 

よって、標準燃焼エンタルピー=−(−184)+(−788)+(−726)=−1330。これが答えです。

 

まとめ

  • エンタルピーとは物質が持つエネルギーの総量で、内部エネルギーと圧力や体積のエネルギーの和で表される

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