０４．１
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　林　正幸

　　　ヘスの法則の実験

解　説

［１］２０年以上も前にやっていた実験を再度活用しようと、新たに工夫を加えてみた。
　ヘスの法則そのものは、現代ではエネルギー保存の法則からすれば当然のことである。
それでは歴史的価値しかないのか。
　そもそも化学ではエネルギーをどう教えるべきか。「授業プリント」の中でも提起して
きたことだが、物理に寄りかかって「仕事をする能力」と定義するのは、却って分かりに
くいと思う。

［２］エネルギーとは「物質が存在することに伴って必然的に持つもの」である。そして
物質の種類によって、また同じ物質でもその存在状態によって、異なる形態や量のエネル
ギーを持つ。つまり物質はエネルギー無しには存在できないし、エネルギーの形態や量を
変えること無しに、物質が種類や状態を変化させることはできない。（さらに Ｅ＝ｍｃ2
からすれば、物質はエネルギーそのものである。）またエネルギーの量は物質の量に正比
例する。
　そして物質は他の物質との相互作用でエネルギーをやり取りするが、その全体の量は保
存される。物質がエネルギーのやり取りするには２つの方法があり、それは仕事と熱であ
る。これは熱力学の第一法則
　　　　 ΔＵ＝ΔＱ＋Ｗ（された仕事）
そのものである。粒子の運動が揃って作用するとき、それは仕事となる。これに対して乱
雑なまま作用するとき、それは熱となる。化学的変化では後者であることが多い。
　エネルギーにはさまざまな形態があるが、基本形は運動エネルギーと位置エネルギーで
ある。物質は熱運動しているから運動エネルギー（と位置エネルギー）を持ち、化学結合
や分子間力で引き合っているから位置エネルギーを持つ。このようにして物質が持つエネ
ルギーは内部エネルギーと呼ばれ、そのうちの熱運動のエネルギーの部分が熱エネルギー
である。熱が伝導するとは熱エネルギーが移動することである。
　先に触れたように、物質が存在状態を変えたり別の物質に変化すればその持つエネルギ
ーが変化し、物質の出入りがない等温等圧系では、熱エネルギーをまわりに与えたり、ま
わりから奪ったりする。また物質の種類とその状態が確定すれば、それがいかなる経路を
経たものであっても、その持つエネルギーの形態や量は確定している。言い換えるとエネ

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ルギーは状態量である。

［３］私は以上のことは天下り的に注入してから、実験させて生徒に納得させていくよう
に展開したい。その中でヘスの法則の実験は「エネルギーは状態量である」ことを確認す
るのに利用したい。もうひとつの利用は、水（希薄な水溶液）の熱容量が４.２Ｊ/ｇ・℃
であることを使って発熱量や吸熱量を計算して、熱化学方程式などに馴染ませることであ
る。
　実験では次の物質を準備する。
　　水　　１００ｍｌ＝１００ｇ
　　水酸化ナトリウム　　４.０ｇ＝０.１ｍｏｌ
　　五酸化二リン　　２.４ｇ＝(０.１/６)ｍｏｌ＝０.０１７ｍｏｌ
コース１では、水に水酸化ナトリウムを加え（段階ａ）、ＢＴＢで塩基性を確認してから
五酸化二リンを加える（段階ｂ）。そのときは次の熱化学方程式が関係する。
　ＮａＯＨ ＋ ａｑ ＝ ＮａＯＨａｑ ＋ Ｑ1 ｋＪ
　(1/6)Ｐ2Ｏ5 ＋ＮａＯＨａｑ ＝ (1/3)Ｎａ3ＰＯ4 ａｑ＋(1/2)Ｈ2Ｏ(液)＋Ｑ2 ｋＪ
コース２では水に五酸化二リンを加え（段階ｃ）、ＢＴＢで酸性を確認してから水酸化ナ
トリウムを加える（段階ｄ）。そのときは次の熱化学方程式が関係する。
　(1/6)Ｐ2Ｏ5 ＋ (1/2)Ｈ2Ｏ(液) ＋ ａｑ ＝ (1/3)Ｈ3ＰＯ4 ａｑ ＋ Ｑ3 ｋＪ
　(1/3)Ｈ3ＰＯ4 ａｑ＋ＮａＯＨ ＝ (1/3)Ｎａ3ＰＯ4 ａｑ＋Ｈ2Ｏ(液)＋Ｑ4 ｋＪ
そして全体の熱化学方程式は次のようである。
　(1/6)Ｐ2Ｏ5 ＋ＮａＯＨ＋ａｑ ＝ (1/3)Ｎａ3ＰＯ4 ａｑ＋(1/2)Ｈ2Ｏ(液)＋ＱｋＪ

［４］それぞれの変化熱（溶解熱や反応熱）はどうなっているのであろうか。化学便覧か
ら得られるデータは次のようである。
　　生成エンタルピー
　　　　ＮａＯＨ　　　　　　　　　　　 −４２６ｋＪ
　　　　Ｐ4Ｏ10　　　　　　　　　　　 −２９８４
　　　　(1/6)Ｐ2Ｏ5　　　　　　 　　　　−２４９
　　　　Ｎａ3ＰＯ4　　　　　　　　　　−１９２５
　　　　(1/3)Ｎａ3ＰＯ4　　　　 　　　　−６４２
　　　　Ｎａ3ＰＯ4・１２Ｈ2Ｏ　　　　 −５４７７
　　　　(1/3)Ｎａ3ＰＯ4・１２Ｈ2Ｏ　　−１８２６
　　　　Ｈ2Ｏ(液)　　　　　　　　　　 　−２８６
　　　　(1/2)Ｈ2Ｏ(液)　　　　　　　　　−１４３
　　　　１２Ｈ2Ｏ(液)　　　　　　　　 −３４３２

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　　　　Ｈ3ＰＯ4　　　　　　　　　　　−１２７９
　　　　(1/3)Ｈ3ＰＯ4　　　　　　　 　　−４２６
　　溶解熱
　　　　ＮａＯＨ　　　　　　　　　　　　　−４５ｋＪ
　　　　Ｈ3ＰＯ4　　　　　　　　　　　　 　　 ２
　　　　(1/3)Ｈ3ＰＯ4　　　　　　　　　　　　 １
　しかしリン酸ナトリウムの溶解熱のデータは無い。そこで水１００ｍｌにリン酸ナトリ
ウム１２水和物３.８ｇ＝０.０１ｍｏｌを溶かすと、温度上昇が０.４℃であった。これか
ら次の熱化学方程式が得られる。
　Ｎａ3ＰＯ4・１２Ｈ2Ｏ ＋ ａｑ ＝ Ｎａ3ＰＯ4 ａｑ ＋ １２Ｈ2Ｏ(液) ＋ １７ｋＪ
また上のデータから次の熱化学方程式が得られる。
　Ｎａ3ＰＯ4 ＋ １２Ｈ2Ｏ(液) ＝ Ｎａ3ＰＯ4・１２Ｈ2Ｏ ＋ １２０ｋＪ
２つの方程式を辺々加えると
　Ｎａ3ＰＯ4 ＋ ａｑ ＝ Ｎａ3ＰＯ4 ａｑ ＋ １３７ｋＪ
つまり溶解熱は
　　　　Ｎａ3ＰＯ4　　　　　　　　　　　−１３７ｋＪ
　　　　(1/3)Ｎａ3ＰＯ4　　　　　　　　　 −４６
これで各段階の変化熱（反応熱や溶解熱）の値が計算できる。
　　　　段階ａ　　　Ｑ1 ＝ 　４５
　　　　段階ｂ　　　Ｑ2 ＝ １１１
　　　　段階ｃ　　　Ｑ3 ＝ 　３５
　　　　段階ｄ　　　Ｑ4 ＝ １２１
また全体の変化熱は
　　　　　　　　　　Ｑ ＝ １５６
である。

準　備

・水酸化ナトリウム、五酸化二リン
・薬さじ、薬包紙、てんびん、ピンセット、はさみ
・広口びん　　×２
・ポリコップ　　×４
・温度計付きの発泡スチロールのふた　　×２
・１００ｍｌメスシリンダー
・ＢＴＢ

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操　作

（イメージ）
　　　　　　　コース１　　　　　　　　　　　　　コース２
　　　　　　水１００ｍｌに　　　　　　　　　　水１００ｍｌに
　　　段階ａ：水酸化ナトリウムを加える　　段階ｃ：五酸化二リンを加える
　　　段階ｂ：五酸化二リンを加える　　　　段階ｄ：水酸化ナトリウムを加える
　各段階の温度上昇を計測する。
（薬品の準備）
注意：どちらの薬品も皮膚に激しい作用を持つ。また吸湿性なのでびんのふたを取りっ放
　　　しにしない。
（１）水酸化ナトリウム４.０ｇを手早く計量し、薬包紙でおひねりにし、広口びんにしま
う。続いてもうひとつ同じおひねりをつくってびんにしまう。
（２）同様に手早く五酸化二リン２.４ｇのおひねりを２つ別の広口びんに準備する。
＜段階ａ＞
（１）乾いたポリコップを２つ重ね、これにメスシリンダーで水道水１００ｍｌを注ぐ。
（２）温度計付きの発泡スチロールのふたをし、コップをまわすようにして振り混ぜ、温
度が安定したら読み取る。
注意：振り混ぜるときに水がこぼれ出ないように注意をする。
参考：温度は０.２℃刻みで（最小目盛りの１／５）読み取る。
　　　コース１のスタート温度（　　　　）℃
（３）温度計付きのふたをとり、水酸化ナトリウムのおひねりをピンセットで取り出し、
薬品のみを残らず水に投入し、再びふたをする。
（４）コップをまわすようにして振り混ぜ、水酸化ナトリウムを溶解させる。そして上昇
し切ったときの温度を読み取る。
参考：コップの底から溶解状態が観察できる。
　　　　段階ａの温度（　　　　）℃
（５）ふたをとってＢＴＢ ０.２ｍｌを加え、変色を確認する。
＜段階ｂ＞
（６）続いて、五酸化二リンのおひねりをピンセットで取り出し、はさみで上の部分を切
り取ってすこし薬品が見えるようにする。そして薬包紙ごと水に浮かせて再びふたをし、
振り混ぜて五酸化二リンを反応させる。そして上昇し切ったときの温度を読み取る。
　　　　段階ｂの温度（　　　　）℃
＜段階ｃ＞
（１）別のポリコップ（２重）に水道水１００ｍｌを注ぎ、振り混ぜて温度が安定したら
読み取る。

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　　　コース２のスタート温度（　　　　）℃
（２）同様に五酸化二リンを加えて、温度を読み取る。
　　　　段階ｃの温度（　　　　）℃
（３）ふたをとってＢＴＢ ０.２ｍｌを加え、変色を確認する。
＜段階ｄ＞
（４）同様に水酸化ナトリウムを投入し、温度を読み取る。
　　　　段階ｄの温度（　　　　）℃
（かたづけ）
（１）器具を水洗いする。

結　果

　典型的な実験例は次のようである。
　　　コース１のスタート温度　　　　４.０℃
　　　　段階ａの温度　　　　　　　１３.８　　　温度上昇　　　９.８℃
　　　　　　ｂ　　　　　　　　　　２８.０　　　　　　　　　１４.２
　　　コース２のスタート温度　　　　４.２℃
　　　　段階ｃの温度　　　　　　　１１.６　　　温度上昇　　　７.４℃
　　　　　　ｄ　　　　　　　　　　２８.０　　　　　　　　　１６.４
　これから各段階の熱化学方程式の変化熱は次のように計算できる。
　　　　段階ａ
　　１０４×４.２×９.８×１０ ＝ ４３　　　　　　Ｑ1 ＝ ４３
　　　　段階ｂ
　　１０６×４.２×１４.２×１０ ＝ ６３　　　　　Ｑ2 ＝ ６３
　　　　段階ｃ
　　１０２×４.２×７.４×１０ ＝ ３２　　　　　　Ｑ3 ＝ ３２
　　　　段階ｄ
　　１０６×４.２×１６.４×１０ ＝ ４３　　　　　Ｑ4 ＝ ７３
全体の変化熱は
　　コース１　　　　Ｑ ＝ １０６ｋＪ
　　　　　２　　　　　　　１０５
とよく一致している。
　ここで段階ａとｃの実験結果が化学便覧からの計算値とよく一致しているのに対して、
段階ｂとｄではかなり食い違いがあることが問題である。私の印象では実験はかなりうま
く行っているので、むしろ計算値の方に問題があるように思える。とくにリン酸ナトリウ
ムが気になる。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 5 -

　この実験は温度上昇に注目するだけでヘスの法則、つまり「物質の種類とその状態が確
定すれば、それがいかなる経路を経たものであっても、その持つエネルギーの形態や量は
確定している」ことが納得できる点がよいと考える。それに加えて可能な生徒は、変化熱
の計算や、応用実験に取り組むことができる。
　なおこの実験は乾燥した冬場が向いている。

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