　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１２．２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　林　正幸　　物質とエネルギー（改訂）　　実　験　　　　　　目　次　　実験１　まさつで湯沸かし　　モデル実験１　熱運動　　実験２　発熱変化と吸熱変化　　実験３　ヘスの法則　　実験４　メタノールの燃焼熱　　演示実験１　蒸気機関車　　　　発展実験　　発展実験１　簡単燃料電池　　発展実験２　簡単太陽炉の製作　　　　知識と概念へ実験目次へ実験１　まさつで湯沸かし　　　　備考：中部大の岡崎さんから譲渡された。実験目次へモデル実験１　熱運動　９×７×５ｃｍくらいの透明ポリ容器（ふた付き）にＢＢ弾を２層になるくらい入れ、マッサージ器に固定する。容器を水平にしてスイッチを入れ、左右方向と前後方向のＢＢ弾の運動の激しさに差があるか、観察する。実験目次へ実験２　発熱変化と吸熱変化（ａ）使い捨てかいろ（１）鉄粉３０ｇが入った紙コップに食塩薬さじ１杯を加えてしばらく割りばしでかき混ぜてみる。（２）それだけでは発熱がないことを確認できたら、ビーカーに水をくんでピペットでその２ｍＬを加え、よくかき混ぜ続けて発熱を調べる。（３）温度が下がり乾燥した状態になったら、もう一度水３ｍＬを加えてかき混ぜる。（４）終わったら紙コップごと教卓に返す。（ｂ）アンモニアの発生　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 1 - （１）５０ｍＬビーカーに、塩化アンモニウム薬さじ２杯と水酸化カルシウム薬さじ２杯を入れて、ガラス棒でよくかき混ぜる。（２）アンモニアの発生を確認し、ビーカーの底に触ってみる。（ｃ）硫酸の水への溶解（１）１００ｍＬビーカーに水約５０ｍＬを入れる。ガラス棒でかき混ぜながら濃硫酸１０ｍＬを少しずつ溶解し、温度の変化を観察する。注意：濃硫酸に水を加えると危険である。（２）できたうすい硫酸はそのまま教卓に返す。（ｄ）酢酸ナトリウムの凝固（１）液体状態の酢酸ナトリウムが入ったポリ袋を手で触り、常温であることを確かめる。（２）チャックを開いて、結晶の酢酸ナトリウム１粒を投入する。（３）凝固の様子と温度の変化を観察する。（４）ポリ袋はそのまま返却する。＜記録＞＜準備＞・鉄粉（＃３００）、食塩・紙コップ、割りばし、温度計・５０ｍＬ三角フラスコ、５ｍＬピペット・塩化アンモニウム、水酸化カルシウム・５０ｍＬビーカー、ガラス棒・１００ｍＬビーカー、ガラス棒、温度計（かいろと別にする）・濃硫酸、５ｍＬピペット・過冷却の酢酸ナトリウム三水和物　　（５００ｍＬビーカーに結晶酢酸ナトリウム５００ｇと水５０ｍＬを入れ、加熱して　　　融解する。すこし放冷して表面に膜ができ始めたら、チャック付きポリ袋（８５× 　　　６０ｍｍ）に約３０ｍＬずつ注ぐ。チャックを閉じ、それを上にして放冷する。）・小粒の固体の酢酸ナトリウム三水和物実験目次へ実験３　ヘスの法則（イメージ）　同じスタート物質から、異なる２つのコースを通り、同じゴール物質に到達する。　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 2 - 　　　　　　　コース１　　　　　　　　　　　　　コース２　　　　　　水１００ｍＬに　　　　　　　　　　水１００ｍＬに　　　過程ａ：水酸化ナトリウムを加える　　過程ｃ：五酸化二リンを加える　　　過程ｂ：五酸化二リンを加える　　　　過程ｄ：水酸化ナトリウムを加えるそして各過程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。（過程ａ）（１）乾いたポリコップを３つ重ね、これにメスシリンダーで水１００ｍＬを注ぐ。参考：水酸化ナトリウムの溶解を早めるため、水温は２０℃くらいが望ましい。（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ＢＴＢ０.２ｍＬを加え、変色を確認する。（過程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（　　　　）℃ （過程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。　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 3 - 　　　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ＢＴＢ０.２ｍＬを加え、変色を確認する。（過程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。＜記録＞＜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（自作）　　×２・１００ｍＬメスシリンダー・ＢＴＢ実験目次へ実験４　メタノールの燃焼熱（イメージ）　メタノールを燃焼させ、その熱エネルギーをアルミ片に貯め、水を加えて全体の温度上昇を計測する。（操作）（１）菓子の缶（半径８.５ｃｍ）を断熱容器に収め、アルミ片５２３ｇを入れ、温度計を差し入れてその温度を計測する。　　　　（　　）℃ 参考：菓子の缶は鉄製で１５４ｇあり、比熱を考慮するとアルミニウム７７ｇに相当する。　　　つまり実質的にはアルミ片６００ｇを用いることになる。注意：温度は０.２℃刻みで読み取る。（２）正確な目盛りを印したビーカーに水１Ｌを入れ、ときどきかき混ぜながら温度を計測する。　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 4 - 　　　　（　　）℃ （３）メタノールを入れたアルコールランプの、キャップの内側を拭ってから被せて全体の質量を計測する。　　　　（　　　　　）ｇ（４）アルミ片をならして丸い金網を被せ、三脚を入れて網を支え、全体を静かに逆さにする。（５）アルコールランプに点火して手に持ち、アルミ片をまんべんなく５分間加熱する。注意：この加熱が結果を左右する。炎は先端が網からすこし離れるようにする。半径が３、　　　６ｃｍの２つの同心円を頭に描き、順にくり返し炎でたどるように加熱する。（６）時間が来たらキャップを被せてアルコールランプを消す。菓子の缶と三脚をそのまま元にもどして三脚を外し、水１Ｌを注ぎ、金網を除いて温度計を差し入れ、ガラス棒でかき混ぜながら、到達温度を計測する。　　　　（　　）℃ （７）合間を利用してアルコールランプの質量を計測して、燃焼したメタノールの質量を求める。　　　　（　　　）ｇ（８）水を捨ててアルミ片を大型バットに取り出し、ブロワーで乾燥する。菓子の缶も乾燥する。（９）次のデータを使って、メタノール１ｍｏｌの燃焼熱を計算してみよ。　　　　比熱　　　アルミニウム　　　０.８８Ｊ/℃・ｇ　　　　　　　　　水　　　　　　　　４.２　　　　メタノールのモル質量　　　３２ｇ/ｍｏｌ＜記録＞＜準備＞・菓子の缶（「ゴーフル」（１５００円）の缶が手ごろ　直径１７ｃｍ、高さ９ｃｍ、質　　量１５４ｇ、鉄製）・断熱容器（発泡スチロールで自作）・丸い金網　　（２０ｍｅｓｈステンレス網を切断し、周囲を折り曲げてつくる）・三脚・アルミ片　５２３ｇ　　（幅１０ｍｍ、厚さ１ｍｍ、長さ２ｍのアルミＬアングルを、電気のこぎりで２ｃｍ　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 5 - 　　　幅に切断する。６本で予備もできる。）・はかり（１ｋｇ用）・電子天びん（２００ｇ用で、０.０１ｇまでは計測できるもの）・アルコールランプ（ガラス製）　　（ランプの芯は短くして炎が小さくなるようにする）・メタノール・１Ｌビーカー　　（正確な１Ｌの目盛りを印しておく）・アルコール温度計、ガラス棒・大型バット、ブロワー目次へ演示実験１　蒸気機関車＜準備＞・模型の蒸気機関車（ナカムラ）・ミシン油、つまようじ、テッシュ・注射器、水、プラスドライバー・固形燃料、カッター、マッチ、軍手実験目次へ発展実験１　簡単燃料電池（１）バットの底を上にして炭素板を乗せ、クッキングペーパー２枚を被せ、１ｍｏｌ/Ｌ水酸化ナトリウム水溶液１４ｍＬを染み込ませる。（２）もう１つの炭素板を乗せて手まわし発電機に接続し、２分ほど電気分解をして、すぐに発電機のクリップを外す。参考：発電機は右まわしするとコンセントの上側が正極になる。　　　たとえば上の炭素板をプラス極になるように決めておく。（３）そしてメロディテスターを接続する。注意：テスターは極性があるので、プラス（赤コード）をプラス極に接続する。（４）続いてソーラーモーターを接続する。（５）終わったらクッキングペーパーは廃棄容器に捨てる。参考：事後にクッキングペーパーはホウ酸で中和処理する。＜記録＞　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 6 - ＜準備＞炭素板（１７０×４０×５ｍｍ　ターミナル付き）　　×２クッキングペーパー（５×１４ｃｍ）　×２バット１ｍｏｌ/Ｌ水酸化ナトリウム水溶液、５ｍＬピペット手まわし発電機メロディテスターソーラーモーター、クリップコード廃棄容器（バット）、ピンセット実験目次へ発展実験２　簡単太陽炉の製作（イメージ）　等辺台形を貼り合わせてパラボラをつくる。台形は２段で、１段あたり８枚である。焦点距離が１０ｃｍになるように設計されている。（製作）（１）工作用紙１枚と１／３に次の図形を描く。　　　　等辺台形を８枚ずつ、合計１６枚　　１段目　　上底：３.８ｃｍ、下底：　７.８ｃｍ、高さ５.０ｃｍ　　２　　　　　　　７.８　　　　　　１１.４　　　　　５.０参考：７.８　１１.６　１９.４　２３.２　３１.０　３４.８　４２.６　４６.４　　　２.０　５.８　１３.６　１７.４　２５.２　２９.０　３６.８　４０.６　４８.４　　　１１.４　１９.２　３０.６　３８.４　　　１.８　９.６　２１.０　２８.８　４０.２　　　　１段目を固定する長方形　４組　　３.０×２.０ｃｍ、３.０×２.０ｃｍ　　　　２段目の台形の支える長方形　４組　　７.０×１.６ｃｍ、７.０×４.３ｃｍ、７.０×４.０ｃｍ参考：１.６　５.９　９.９　　　　台板　　２８.０×２８.０ｃｍ（２）台形部分の裏に、のりでアルミホイルをしわにならないように貼り付ける。（３）すべての図形を切り出す。（４）セロテープで１段目の台形を、１カ所を除いて貼り合わせる。（５）１段目を固定する長方形２枚をつないで４組とし、１つおきに半分を台形に貼り付ける。　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 7 - （６）１段目につなげて、２段目の台形を、１カ所を除いて貼り合わせる。（７）２段目の台形の支える長方形３枚を、上の順につないで４組とし、１つおきに台形に貼り付ける。参考：１段目を固定する長方形と同じ列にする。（８）セロテープで貼り合わせて、パラボラを完成する。（９）台板に固定する。参考：１段目の台形の上底は、中心から４.６ｃｍに来る。　　　２段目の台形を支える底面の外端は、中心から１３.８ｃｍに来る。（実験）（１０）大陽に向け、焦点に手先をかざしてみる。（１１）先生が製作した大陽炉を使って、ゆで玉子（「ひかり玉子」）をつくる。＜記録＞＜準備＞・工作用紙（５１×３７ｃｍ）と１／３（５１×１２ｃｍ）・アルミホイル・のり、はさみ、定規、セロテープ＜追記＞　ポリカーボネートミラー（厚さ０.５ｍｍ）を使えば、すこし高価になるがしっかりしているので、パラボラを固定したり支えたりする必要がなく、したがって台紙も不要になり、工作が簡単になる。（１）ポリカーボネートミラーで上の寸法の等辺台形１６枚を切り取る。（２）セロテープで１段目の台形を、１カ所を除いて貼り合わせる。（３）２段目の台形を１段目に貼り合わせる。（４）１段目の残っている１カ所と、それに続く２段目を貼り合わせる。（５）２段目の台形のすき間を貼り合わせる。（６）ミラーの保護シートをめくる。　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 8 - 　　知識と概念　　　　　　目　次　　１．力学的エネルギー　　２．状態とエネルギー　　３．化学反応とエネルギー　　４．ヘスの法則と生成熱　　５．結合のエネルギー　　６．物質のエネルギーの利用章目次へ　エネルギーという用語は身近である。「あの人はエネルギーがある」「エネルギーが切れて動けない」とか、電気エネルギー、熱エネルギー、太陽エネルギー、あるいはエネルギー問題と言ったようである。しかし改めてエネルギーとは何かと尋ねられたら、どう答えればよいだろうか。１．力学的エネルギー　始めに高校物理学で出てくる力学的エネルギーについて説明する。［ａ］力学的エネルギー［１］力学的エネルギーには、運動エネルギーと位置エネルギーの２つの姿がある。　ある速度で運動している物体が持つエネルギーは「運動エネルギー」と呼ばれる。運動エネルギーＥ_k は、物体の速度をｖ、質量をｍとすると次のように表される。　　　　Ｅ_k ＝ (1/2)ｍｖ² つまり運動エネルギーは速度の２乗に比例する。［２］位置エネルギーは初歩的には「高い位置にある物体ほど大きい位置エネルギーを持つ」とされる。もうすこしレベルアップするには、図のように宇宙的視野で見直すとよい。　　　　地面は地球である。物体が落下するのは、物体と地球が万有引力で引き合っているためである。高いとは物体と地球の距離が大きいことである。　こうして「位置エネルギー」とは、ある距離に位置する引き合う物体「どうし」が持つエネルギーである。そして距離が大きいほど位置エネルギーが大きい。なお引力の種類は万有引力だけでなく、電気的引力でも磁気的引力でも構わない。ちなみに、たがいに反発し合う物体どうしにも位置エネルギーは存在するが、この講座では踏み込まない。参考：高校では位置エネルギーは　　　　　Ｅ_p ＝ｍｇｈ　　　と書かれる。これは地表付近という限られた領域でのことである。　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 9 - ［ｂ］仕事とエネルギー保存則［１］エネルギーを持つ物体（あるいは物体どうし）は、仕事をすることができる。そして仕事をした相手物体にそのエネルギーを与える。「仕事をする」とは相手物体に力を及ぼし、その向きに移動させることである。たとえば位置エネルギーを持つ物体Ａ（と地球）は、左図のように滑車を使えば他の物体Ｂを持ち上げることができる。　　　　　こうしてエネルギー量は、仕事と同じ単位であるジュール［Ｊ］で表される。そしてエネルギーとは「仕事をする能力」であるとされる。［２］右図に示した振り子の運動を考えてみよう。Ａ点では振り子（と地球）は位置エネルギーのみを持つ。そしてＢ点に来ると、振り子は運動エネルギーを持つようになり、位置エネルギーを減らす。さらにＣ点に来ると、再び位置エネルギーのみになり、その量はＡ点における場合に等しい。こうして振り子では、位置エネルギー（の一部）と運動エネルギーは入れ代わっており、かつ両方のエネルギーの合計は一定に保たれる。　このようにエネルギーは姿を変えても、全体の量は一定に保たれることは自然の根本原理であり、エネルギー保存則と呼ばれる。そして滑車を使う例のように、仕事を通してエネルギーをやり取りする場合にも、エネルギーの全体の量は一定に保たれる。章目次へ２．状態とエネルギー　以上、イメージアップのために足早に説明をした。次の対象は熱である。［ａ］熱［１］常温の水をバーナーで加熱すると温度が上昇する。　実験１では、銅パイプに少量の水を入れ、パイプにヒモを巻いてこすると、やがて水が沸とうした。仕事をしても水の温度は上がる（正確には銅パイプの温度が上がり、熱が伝導して水の温度が上がる）。　熱を加えることと仕事をすることは同等である。熱量も仕事と同じ単位であるジュール［Ｊ］で表される。　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 10 - ［２］熱とはよく使われる用語であるが、物理学では次のように定義される。　　「温度が異なる２つの物体が接触するとき、高い温度の物体から低い温度の物体　　　に移動するエネルギー」したがって「加熱する」は正しい表現であるが、「風邪を引いて熱がある」は間違った表現になってしまう。つまり移動する前やその後ではそれは「熱」とは呼べない。［ｂ］状態と熱　講座プラン「物質の状態」では、固体、液体、気体の３つの状態について学習した。　－１０℃の固体の水１ｍｏｌ（１８ｇの氷）をバーナーで加熱していく場合を考える。始めは熱量を３７Ｊ吸収するごとに温度が１℃ずつ高くなる。つまり合計３７０Ｊの熱量を吸収すると０℃の氷になる。次に加熱するとしばらくは、温度は０℃のままで氷が融解して液体の水になっていく。６０００Ｊの熱量を吸収するとそれが完了して０℃の液体の水になる。　次は熱量を７５Ｊ吸収するごとに温度が１℃ずつ高くなる。７５００Ｊの熱量を吸収すると１００℃の液体の水になる。続いて沸とうが起こり（圧力は１ａｔｍとする）、４０６７０Ｊの熱量を吸収するとそれが完了して１００℃の水蒸気になる。備考：ここでは固体や液体の表面からの昇華や蒸発は無視できるとしている。　最後は熱量を３７Ｊ吸収するごとに温度が１℃ずつ高くなる。１１０℃になるまでの、温度と吸収する熱量の関係は次のグラフのようになる。参考：同じ「３７Ｊ」は偶然に一致したのである。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 11 - 　これは１１０℃の水蒸気がまわりに熱を放出して冷めていくグラフでもある。３７Ｊ放出するごとに１℃下がり、４０６７０Ｊ放出して凝縮が完了して１００℃の水になり、７５Ｊ放出するごとに１℃下がり、・・・となる。［ｃ］熱エネルギー［１］氷では分子間の引力によって分子どうしは引き合い規則的に配列している。と言うことは分子は位置エネルギーを持つ。また分子はそれぞれの格子点を中心に振動している。と言うことは分子は熱運動により運動エネルギーを持つ。　このように物質はエネルギーを持つのである。もちろん物質のエネルギー量はその質量や物質量に正比例する。［２］物質のエネルギーのうち、熱運動に関係するエネルギーはとくに「熱エネルギー」と呼ばれる。熱運動に関して講座プラン「物質の状態」で　　　　「温度は熱運動の平均の激しさを示す」と学習した。ここで「激しさ」はもうすこし正確にはエネルギーのことである。　熱運動は均等化する性質がある。これは化学の基本原理である。それは分子どうしが衝突などを通して互いにエネルギーをやり取りするからである。氷ではたとえば、分子のｘ－方向の振動とｙ－方向の振動の平均の激しさは同じになる。　モデル実験１では、マッサージ器に固定した、ＢＢ弾が入った容器を水平にして、スイッチを入れると、左右方向と前後方向のＢＢ弾の運動の激しさに差は見られなかった。［３］熱伝導をイメージしてみよう。高温（熱運動が激しい）の物体と低温（熱運動が穏やかである）の物体が接触すると、高温から低温へ熱が伝導する。これは２つの物体全体の熱運動の激しさが均等化し、温度が等しくなる現象である。このとき高温の物体の熱エネルギーの一部が低温の物体に移動する。熱の正体は「移動する」熱エネルギーである。しかし［ａ］で学習したように、熱は熱エネルギーそのものではない。備考：厳密には熱には放射エネルギーも関係する。　熱エネルギーという用語は使い勝手がよい。たとえば「熱エネルギーを加える（加熱する）」と「風邪を引いて（いつもより）熱エネルギーがある」は共に正しい表現である。［ｄ］物質のエネルギー［１］大づかみに物質のエネルギーの内容を見てみよう。ただし４節［ｂ］［４］で重要な付け加えがある。　－１０℃の氷１ｍｏｌに熱エネルギーを加えると、分子の熱運動の平均の激しさが大きくなり（温度が高くなり）、氷の熱エネルギーが１℃ごとに３７Ｊずつ増加していく。　そして温度が０℃になると、熱エネルギーを加え続けても温度が上昇しない。つまり熱運動の平均の激しさは変わらない。それなら６０００Ｊの熱エネルギーは物質の中でどん　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 12 - な姿になるか。それは位置エネルギーが増加する。固体から液体への融解という変化では、分子の結び付きがゆるむ。つまり分子どうしの距離がいくらか大きくなる。このとき固体が吸収する熱エネルギーは融解熱（１ｍｏｌの場合はモル融解熱）と呼ばれる。　ここで注意をしておく。上の２つの過程ではいずれも物質のエネルギーが増加する。そして［ｂ］で確認したように、これらの過程はもどることができる。つまり凝固の過程では融解熱と同じ量の熱エネルギーを放出し、温度が下がる過程では、１℃ごとに３７Ｊの熱エネルギーを放出する。つまりここでもエネルギー保存則が成り立っている。［２］水の昇温と沸とうも同じようである。　沸点において、融解熱よりはるかに大きい４０６７０Ｊという蒸発熱を吸収する。これは液体から気体への変化では、分子どうしがばらばらになる、つまり距離が相当に大きくなるためであり、それによって増加する位置エネルギーが大きいためである。備考：この過程で、大気に対して気体がする仕事などには触れないでおく。　気体状態における、分子どうしの衝突をイメージしてみよう。話を同種の分子が正面衝突する場合に限定する。それぞれ一定速度で接近する分子は引力圏に入ると互いに加速し、運動エネルギーが増加し、その分だけ位置エネルギーが減少する。しかし衝突して跳ね返ると位置エネルギーと運動エネルギーは元の大きさにもどる。そして分子はたがいに運動の向きと運動エネルギーを交換する。　衝突は完全弾性衝突であり、それによって熱運動の平均の激しさが減少することはない。このことは気体の温度が下がっていかないことから納得できる。　まとめをしよう。物質のエネルギーは運動エネルギーと位置エネルギーである。物質のエネルギーは温度が高いほど大きい。また同じ温度でも固体より液体が、液体より気体が大きいエネルギーを持つ。［３］比熱について触れておく。状態変化を伴わないで、物質の温度が１℃上昇するごとに吸収する熱エネルギーは比熱と呼ばれる。これには２つの単位がある。　　　　物質１ｇあたりの場合　　Ｊ/℃・ｇ　　　　〃　１ｍｏｌ　〃　　　　Ｊ/℃・ｍｏｌ（モル比熱と言う）前者の数値にモル質量（分子量）を掛ければ、後者の数値になる。参考：Ｊ/℃・ｇのように、温度に絶対温度の単位ケルビン［Ｋ］を使うこともある。　　　講座プラン「気体状態」で学習したように、絶対温度Ｔはせっ氏温度ｔと次の　　　ように関係する。　　　　　Ｔ＝ｔ＋２７３　　　そして１刻みの温度幅は同じである。　比熱は講座プラン「モル単位（物質量）の世界」でも学習した。次にいくつかの物質の比熱を紹介する。　　　　水（液体　０～１００℃）　　　４.１９Ｊ/℃・ｇ　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 13 - 　　　　海水（１７℃）　　　　　　　　３.９３　　　　砂（２０～１００℃）　　　　　０.８０　　　　空気（乾燥　２０℃）　　　　　１.０１（１ａｔｍ下の数値）　　　　鉄（０℃）　　　　　　　　　　０.４４　　　　パラフィンろう（０～２０℃）　２.９比熱は広い温度範囲では一定とは言えない。また水の比熱などは熱エネルギーの量を測るのに利用される（４節［ａ］と「ｃ」）。章目次へ３．化学反応とエネルギー［ａ］発熱変化と吸熱変化［１］実験２のまとめをしよう。なお（ｃ）（ｄ）のように化学反応ではないものも含んでいる。　（ａ）では、鉄粉に食塩を混ぜてすこし水を加えてかき混ぜると、温度が９０℃くらいまで上昇した。このとき空気中の酸素を含めて次の反応が起きる。　　　　４Ｆｅ＋３Ｏ₂ ＋６Ｈ₂Ｏ ―→ ４Ｆｅ(ＯＨ)₃ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　水酸化鉄(Ⅲ) ここで食塩は反応を促進する触媒のはたらきをする。　（ｂ）では、塩化アンモニウムに水酸化カルシウムを加えてかき混ぜると、アンモニアが発生してビーカーの底が冷たくなった。このとき次の反応が起きる。　　２ＮＨ₄Ｃｌ＋Ｃａ(ＯＨ)₂ ―→ ＣａＣｌ₂ ＋２Ｈ₂Ｏ＋２ＮＨ₃ 　　　　　　　　　　　　　　　　　塩化カルシウム　（ｃ）では、水に少しずつ濃硫酸を溶解すると、沸とうするほどに熱くなった。　（ｄ）では、液体状態の酢酸ナトリウムに固体の酢酸ナトリウム１粒を加えると、凝固が起こって温かくなった。　液体を冷却すると凝固点以下になっても固体にならないことがある。凝固点以下の温度で液体である状態は過冷却と呼ばれる。［２］（ａ）（ｃ）（ｄ）のように温度が高くなる場合は、時間が経つとまわりに熱エネルギーを放出して、まわりと同じ温度になる。また変化前の物質もまわりと同じ温度であった。このように変化の前後で温度を同じにしたとき、まわりに熱エネルギーを放出する変化は発熱変化と呼ばれる。　（ｂ）のように温度が低くなる場合は、時間が経つとまわりから熱エネルギーを吸収して、まわりと同じ温度になる。変化の前後で温度を同じにしたとき、まわりから熱エネルギーを吸収する変化は吸熱変化と呼ばれる。備考：厳密には圧力が１ａｔｍの定圧系を前提にする。　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 14 - 　化学反応に伴って物質が放出ないし吸収する熱エネルギーは反応熱と呼ばれる。そして熱エネルギーを吸収する場合はマイナスの符号を付ける。そして出てくる数値はとくに断らない限り、変化の前後の温度が２５℃におけるものである。［ｂ］熱化学方程式［１］エネルギー保存則から考えると、変化前の物質のエネルギーが変化後の物質のエネルギーより大きければ、変化に伴って余分になるエネルギーをまわりに放出する。逆に変化後の物質のエネルギーの方が大きければ、不足するエネルギーをまわりから吸収するはずである。化学的変化ではまわりとやり取りするエネルギーは熱エネルギーであることが多い。　ただし電池を組み立てれば、電気エネルギーを放出することもあり、燃焼反応では少しばかり放射エネルギー（光）を放出するので、留意しておこう。備考：混乱を避けるため、変化に伴う仕事は無視している。　視点を変えると、発熱変化であれば変化前の物質のエネルギーが変化後の物質のエネルギーより大きく、吸熱変化であれば変化後の物質のエネルギーの方が大きいわけである。［２］さらにくわしく説明しよう。水素と酸素が反応する場合を考える。水素１ｍｏｌと酸素(1/2)ｍｏｌが反応して、液体の水１ｍｏｌが生成するとき、まわりに２８６ｋＪの熱エネルギーを放出する（２５℃、１ａｔｍの下において）。このことは次のように書き表される。　　　　Ｈ₂ ＋ (1/2)Ｏ₂ ＝Ｈ₂Ｏ(液) ＋２８６ｋＪここでＨ２は水素を表すと同時に、水素１ｍｏｌのエネルギーの量を表す。つまり数学の代数のように、Ｈ₂ はある数値の代わりの記号でもある。同様にＯ₂ は酸素と、酸素１ｍｏｌのエネルギーを表す。したがって (1/2)Ｏ₂ は酸素(1/2)ｍｏｌのエネルギーである。そしてＨ₂Ｏ(液) は液体の水と、その１ｍｏｌのエネルギーである。　ちなみに水素や酸素は通常気体であるが、水は３つの可能性があるので、(液) というように状態を指定する必要がある。２節［ｄ］で、物質のエネルギーは温度と共に状態によっても変化することを学習した。　すると上の式は、水素１ｍｏｌと酸素(1/2)ｍｏｌのエネルギーは、液体の水１ｍｏｌのエネルギーに２８６ｋＪを加算した量に等しいことを意味する。このような式は熱化学方程式と呼ばれる。なお左辺と右辺が等号で結ばれることに注意しよう。［３］それでは液体の水１ｍｏｌがまわりから４４ｋＪの熱エネルギーを吸収して水蒸気になる、蒸発の熱化学方程式はどうなるだろうか。　　　　Ｈ₂Ｏ(液) ＝Ｈ₂Ｏ(気) －４４ｋＪつまり液体の水１ｍｏｌのエネルギーは、水蒸気１ｍｏｌのエネルギーから４４ｋＪを減算した量に等しい。吸熱変化では右辺の数値の符号がマイナスになる。　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 15 - 備考：上の蒸発熱は圧力が０.０３１３ａｔｍの下における数値である。１ａｔｍとの差は　　　ここでは無視する。ちなみに２５℃，１ａｔｍの仮想的な水蒸気ができるとすると、　　　近似的に蒸発熱は３５.４ｋＪ/ｍｏｌと計算される。問１　次の変化を熱化学方程式で表せ。（１）鉄１ｍｏｌ、酸素(3/4)ｍｏｌ、液体の水(3/2)ｍｏｌが反応して水酸化鉄(Ⅲ)１ｍｏｌが生成すると、まわりに４０３ｋＪの熱エネルギーを放出する。（２）塩化アンモニウム１ｍｏｌと水酸化カルシウム(1/2)ｍｏｌが反応して、アンモニア１ｍｏｌが発生して液体の水などが生成すると、まわりから７８ｋＪの熱エネルギーを吸収する。［４］ここでもう一度物質のエネルギーについて考えてみよう。物質はその種類によっても異なるエネルギーを持つことが分かってきた。　分子は原子が化学結合してできている。分子をつくる原子は引き合っている。と言うことは分子はそれによって位置エネルギーを持つ。　分子とそれをつくるばらばらの原子では、後者のエネルギーの方が大きい。たとえば２ｍｏｌの水素原子は、１ｍｌの水素分子より４３６ｋＪだけ大きいエネルギーを持つ。　　　　２Ｈ＝Ｈ₂ ＋４３６ｋＪ　物質は色々な原子が化学結合してできているので、それぞれの物質は異なる位置エネルギーを持つ。　また２節［ｄ］で学習したように、同じ物質でも温度や状態によって、異なるエネルギーを持つ。　まとめると、物質は種類によって、温度によって、状態によって、それぞれ固有のエネルギーを持つ。エネルギーとは、物質をして、その種類であり、その温度であり、その状態であらしめる根源になるものである。エネルギーを持たずに物質が存在することはない。言い換えると、物質がその温度を変えたり、状態を変えたり、化学反応で別の種類の物質に変わったりするためには、エネルギー保存の法則が貫いているので、必ずエネルギーを与えたり奪ったりする必要がある。参考：深入りはしないが、物質のエネルギーは圧力によっても異なる。　アインシュタインの相対性理論によると、物質はエネルギーそのものである。質量がｍの静止する物質のエネルギーＥは、光速をｃとすると次のように表される。　　　　　　Ｅ＝ｍｃ² 　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 16 - 備考：現代物理学によると、その正体がまだ解明されていない「暗黒エネルギー」が、宇　　　宙を加速的に膨張させている。［ｃ］エネルギー変化グラフ［１］発熱変化や吸熱変化はグラフに描いても分かりやすい。上で取り上げた水素１ｍｏｌが燃焼する変化では次のようである。　　　　横軸は変化を表し、左の方は変化前を、右の方は変化後を意味する。別の講座プランでは変化の最中を扱うこともある。縦軸は物質のエネルギーを表す。左の横線の高さは水素１ｍｏｌと酸素(1/2)ｍｏｌのエネルギーを示し、右の横線の高さは液体の水１ｍｏｌのエネルギーを示す。右の横線が低く、落差は２８６ｋＪである。右の横線の方が低い場合は発熱になる。　なお物質のエネルギーは、エネルギーを計測する基準によって変化する。しかしどのような基準を選ぼうとも落差は同じになる。こうして横線の高さそのものは明示しないこともある。問２　問１の変化をエネルギー変化グラフで描け。［ｄ］熱化学方程式の演算［１］熱化学方程式は代数式であるので、数学的な演算をして新しい方程式を導き出すことができる。　たとえば上の水素１ｍｏｌが燃焼する反応の熱化学方程式は次のように変形できる。　　　　Ｈ₂Ｏ(液) ＝Ｈ₂ ＋ (1/2)Ｏ₂ －２８６ｋＪこの方程式から、液体の水１ｍｏｌが分解されて水素１ｍｏｌと酸素(1/2)ｍｏｌが生成すると、まわりから２８６ｋＪの熱エネルギーを吸収することが分かる。［２］次の２つの熱化学方程式がある。　　　　Ｃ－ＣＯ＋ (1/2)Ｏ₂ ＝１１１ｋＪ　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 17 - 　　　　Ｃ＋Ｏ₂ ＝ＣＯ₂ ＋３９４ｋＪ　　　　ＣＯ＋ (1/2)Ｏ₂ ＝ＣＯ₂ ＋２８３ｋＪ上式から下式を辺々減算して整理してみよう。　　　　Ｃ＋ (1/2)Ｏ₂ ＝ＣＯ＋１１１ｋＪこの方程式から、炭素１ｍｏｌと酸素(1/2)ｍｏｌが不完全燃焼して一酸化炭素１ｍｏｌが生成すると、まわりに１１１ｋＪの熱エネルギーを放出することが分かる。　上の２つの熱化学方程式は実際の計測でも容易に得られるが、それから導き出される下の方程式は計測が容易ではない。しかしこのように理論的に得ることができる。このことは次節で生成熱としてさらに深める。［ｅ］補　足［１］実験２（ｃ）では、硫酸１ｍｏｌが十分な水に溶解すると、まわりに９５ｋＪの熱エネルギーを放出する。この熱化学方程式は次のようである。　　　　Ｈ₂ＳＯ₄ ＋ａｑ＝Ｈ₂ＳＯ₄ａｑ＋９５ｋＪここでａｑは十分な水を、Ｈ₂ＳＯ₄ａｑは水に溶解した硫酸１ｍｏｌを意味する。もし水が少ないと、その硫酸水溶液に水を追加するときさらに発熱する。講座プランでは十分な水を使う場合のみを扱う。［２］実験２（ｄ）に関連して、「凍れば冷たい、だから水の凝固は吸熱変化ではないか」と疑問に感じる生徒がいる。固体は加熱して液体になるから、液体のエネルギーは固体のエネルギーより大きい。であれば、凝固が発熱変化であるのは当然のことである。　水を凍らせるにはまわりを０℃より低くして液体の水から熱エネルギーを奪う必要がある。はじめに液体の水の温度が下がり冷たくなっていく。このとき液体の水はまわりに熱エネルギーを放出する。これは発熱の過程であるが、温度が変化するので発熱変化とは呼べない。そして凝固では、０℃の水が０℃の氷になる。決して冷たくなっているわけではない。このとき液体の水はまわりに熱エネルギーを放出する。これは発熱変化である。章目次へ４．ヘスの法則と生成熱［ａ］ヘスの法則［１］３節では、物質は種類によって、温度によって、状態によって、それぞれ固有のエネルギーを持つことを学習した。そしてエネルギー保存則がいつでも成り立つ。　同じスタート物質から、異なる２つのコースを通り、同じゴール物質に到達する場合を考える。コースが異なっても、スタート物質のエネルギーとゴール物質のエネルギーは決まっているので、まわりに放出ないし吸収する熱エネルギーは両方のエネルギーの差になり、同じになるはずである。これはヘスの法則と呼ばれる。この法則を検証してみよう。　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 18 - ［２］実験３のまとめをしよう。　スタート物質は次のようである。　　水Ｈ₂Ｏ　　１００ｍｌ＝１００ｇ　　水酸化ナトリウムＮａＯＨ　　　４.０ｇ＝０.１ｍｏｌ　　五酸化二リンＰ₂Ｏ₅　　２.４ｇ＝(０.１/６)ｍｏｌ＝０.０１７ｍｏｌ途中の物質は次のようである。　　コース１　　五酸化二リンと、水酸化ナトリウム水溶液（塩基性）　　コース２　　水酸化ナトリウムと、リン酸水溶液（酸性）ちなみに五酸化二リンと水からリン酸ができる反応式は次のようである。　　　　Ｐ₂Ｏ₅ ＋３Ｈ₂Ｏ ―→ ２Ｈ₃ＰＯ₄ そして終わりの物質は次のようである。　　リン酸ナトリウムＮａ₃ＰＯ₄ の水溶液　　１０６.４ｇ水酸化ナトリウムと五酸化二リンの量は、過不足なくすべてリン酸ナトリウムになるように計算してある。全体の反応式は次のようである。　　　　　Ｐ₂Ｏ₅ ＋６ＮａＯＨ ―→ ２Ｎａ₃ＰＯ₄ ＋３Ｈ₂Ｏ［３］まわりと断熱して、どれだけ温度が上昇するかを計測した。次はその計測例である。　　　　コース１　　　途中の温度上昇　　　９.８℃ 　　　　　　　　　　　全体の　〃　　　　２４.０　　　　コース２　　　途中の温度上昇　　　７.４　　　　　　　　　　　全体の　〃　　　　２３.８途中の温度上昇は異なるが、ゴールの温度上昇はほとんど一致する。できるリン酸ナトリウム水溶液の量と濃度は同じであるから、断熱を解除してまわりと同じ温度になるようにすれば、つまり定温定圧変化において２つのコースとも同じ量の熱エネルギーを放出する。　山登りに例えてみよう。ふもとからどのコースで頂上に至ろうとも、登った高さは同じであり、頂上やふもとの標高が物質のエネルギーに相当する。これに対して歩いた距離はコースに依って異なる。歩いた距離はまるで実験に要する時間のようである。ちなみに発熱変化では山下りの方が適切である。［４］計測例から、水酸化ナトリウムが十分な水に溶解する場合の熱化学方程式を求めてみよう。水溶液の濃度が低いので、その比熱は水と同じ４.２Ｊ/℃・ｇとする。　水酸化ナトリウム４.０ｇ＝０.１ｍｏｌを、１００ｍｌ＝１００ｇの水に溶かすと、温度が９.８℃上昇した。したがってまわりの温度にもどるとき　　　　４.２×１０４×９.８＝４２８０［Ｊ］＝４.３［ｋＪ］の熱エネルギーを放出する。したがって　　　　ＮａＯＨ＋ａｑ＝ＮａＯＨａｑ＋４３ｋＪとなる。これは文献値４５ｋＪ/ｍｏｌとよく一致している。　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 19 - 問１　五酸化二リン２.４ｇ＝０.０１７ｍｏｌを１００ｇの水に溶かすと、温度が７.４℃ 　　上昇した。次の熱化学方程式のＱを求めよ。　　　　Ｐ₂Ｏ₅ ＋３Ｈ₂Ｏ(液) ＋ａｑ＝２Ｈ₃ＰＯ₄ ａｑ＋ＱｋＪ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（答　Ｑ＝１９０）［ｂ］生成熱［１］化学的変化における左辺の物質と右辺の物質の全体としての差だけでなく、個々の物質１ｍｏｌのエネルギーを表す工夫をする。　このためにエネルギーを計測する基準を「すべての単体のエネルギーは０ｋＪとする」と定める。そして物質の生成熱を「物質１ｍｏｌがその成分元素の単体から生成するときまわりに放出する熱エネルギー」と定義する。［２］たとえば３節の熱化学方程式　　　　Ｈ₂ ＋ (1/2)Ｏ₂ ＝Ｈ₂Ｏ(液) ＋２８６ｋＪから、液体の水の生成熱は２８６ｋＪ/ｍｏｌである。この変化を新しい基準でエネルギー変化グラフに描くと左図のようになる。　　　　つまり液体の水のエネルギーは－２８６ｋＪ/ｍｏｌである。　エチレンＣ₂Ｈ₄ の生成熱は－５２ｋＪ/ｍｏｌである。マイナスの符号はエチレンが単体から生成するときにまわりからエネルギーを吸収することを意味する。その熱化学方程式は次のようである。　　　　２Ｃ＋２Ｈ₂ ＝Ｃ₂Ｈ₄ －５２ｋＪまたグラフは右図のようになり、エチレンのエネルギーは５２ｋＪ/ｍｏｌである。このように物質１ｍｏｌのエネルギーと生成熱は符号が反対になるので注意を要する。［３］生成熱を利用して、次のようにさまざまな熱化学方程式をつくることができる。［例題］エチレン、二酸化炭素、液体の水の生成熱は、それぞれ－５２，３９４，２８６　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 20 - ｋＪ/ｍｏｌである。エネルギー変化グラフを描いて、エチレンが完全燃焼する場合の熱化学方程式のＱを求めよ。　　　　Ｃ₂Ｈ₄ ＋３Ｏ₂ ＝２ＣＯ₂ ＋２Ｈ₂Ｏ(液) ＋ＱｋＪ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　答　Ｑ＝１４１２［ｃ］燃焼熱　多くの物質ではその生成熱を直接に計測するのは難しい。そこで燃焼に伴う反応熱（燃焼熱）を計測して、それから熱化学方程式を使って計算する。　実験４では、アルコールランプのメタノールを燃焼し、その燃焼熱をアルミ片（容器を考慮して実質６００ｇ）に吸収させ、それに水１０００ｍＬを加えて温度を計測した。次はその計測例である。　　　　始めのアルミ片の温度　　　　　　５.０℃ 　　　　始めの水の温度　　　　　　　　　４.８　　　　終わりのアルミ片と水の温度　　　９.４　　　　燃焼したメタノール　　　　　　　１.２６ｇ　アルミ片が吸収した熱エネルギーは、その比熱０.８８Ｊ/℃・ｇを使って　　　　０.８８×６００×(９.４－５.０）＝２３２０［Ｊ］水が吸収した熱エネルギーは　　　　４.２×１０００×(９.４－４.８）＝１９３２０［Ｊ］である。したがってメタノールが燃焼で放出した熱エネルギーは　　　　２３２０＋１９３２０＝２１６４０［Ｊ］＝２１.６４［ｋＪ］メタノール１ｍｏｌの燃焼熱は、そのモル質量３２ｇ/ｍｏｌを使って　　　　２１.６４×（３２／１.２６）＝５５０［ｋＪ/ｍｏｌ］である。ちなみに文献値は６３９ｋＪ/ｍｏｌである。より正確な計測にはボンブ熱量計を用いる。正確な熱化学方程式は次のようである。　　　　ＣＨ₃ＯＨ＋ (3/2)Ｏ₂ ＝ＣＯ₂ ＋２Ｈ₂Ｏ(気) ＋６３９ｋＪ　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 21 - 問２　水素と炭素の燃焼熱（熱化学方程式）は次のようである。　　　　Ｈ₂ ＋ (1/2)Ｏ₂ ＝Ｈ₂Ｏ(気）＋２４２ｋＪ　　　　Ｃ＋Ｏ₂ ＝ＣＯ₂ ＋３９４ｋＪ　　上のメタノールの燃焼熱（文献値）と合わせて、メタノールの生成熱を計算せよ。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（答　２３９ｋＪ/ｍｏｌ）章目次へ５．結合のエネルギー［１］原子どうしの結合の強さは、素朴には引き合う力の大きさで計れるように思える。講座プラン「物質の状態」の１節［ｂ］では、分子間の距離と分子どうしの力の関係をグラフを使って学習した。実は原子どうしの結合も同じようである。原子間の距離によって引き合う力は異なり、近づき過ぎると反発力に変わる。結合している原子どうしが平均の距離にあるとき、両者の間には引力も反発力もはたらかない。　結合の強さは、結合している原子どうしを引き離すのに必要なエネルギーの大きさで計るべきである。参考：結合している原子どうしを引き離すとき、原子どうしの間には引力がはたらく。だ　　　から結合している原子どうしに対して仕事をする、つまりエネルギーを与える必要　　　がある。それは結合が切れるときにまわりから得るエネルギーと言ってもよい。あるいは結合の強さは、ばらばらの原子どうしが結合するときにまわりに失うエネルギーの大きさで計るべきである。両者は等しく、はらばらの原子が持つエネルギーと結合した分子が持つエネルギーの差である。この講座プランでは、後者のエネルギーを結合エネルギーと呼ぶことにする。備考：通常は前者のエネルギーを結合エネルギーと呼ぶ。すでに講座プラン「化学結合」の５節［ｂ］では、共有結合することはエネルギーのくぼ地に落ちることと学習した。［２］次の熱化学方程式の意味を考えてみよう。　　　　２Ｈ＝Ｈ₂ ＋４３６ｋＪこれはばらばらの水素原子２ｍｏｌと水素分子１ｍｏｌのエネルギー差が４３６ｋＪということである。もちろんばらばらの原子の方が分子よりエネルギーが大きいことは言うまでもない。水素分子には水素水素結合Ｈ－Ｈが含まれているので、この結合１ｍｏｌの結合エネルギーが４３６ｋＪである。　　　　Ｈ－Ｈの結合エネルギーは４３６ｋＪ/ｍｏｌ　いくつかの単体の例を上げる。　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 22 - 　　　　２Ｃｌ＝Ｃｌ₂ ＋２４２ｋＪ　　　　２Ｏ＝Ｏ₂ ＋４９９ｋＪ　　　　２Ｎ＝Ｎ₂ ＋９４６ｋＪ　　　　Ｃｌ－Ｃｌの結合エネルギーは２４２ｋＪ/ｍｏｌ　　　　Ｏ＝Ｏ　　　　　　　　　　　４９９　　　　Ｎ≡Ｎ　　　　　　　　　　　９４６　さらに化合物の例を上げる。　　　　２Ｈ＋Ｏ＝Ｈ₂Ｏ(気) ＋９３０ｋＪ　　　　Ｃ＋４Ｈ＝ＣＨ₄(気) ＋１６６２ｋＪ水分子は水素酸素結合を２つ含むので　　　　Ｈ－Ｏの結合エネルギーは４６５ｋＪ/ｍｏｌメタン分子は炭素水素結合を４つ含むので　　　　Ｃ－Ｈの結合エネルギーは４１６ｋＪ/ｍｏｌ　　　　図［３］水素酸素結合や炭素水素結合は、別の分子の中にも含まれる。たとえばメタノールＣＨ₃ＯＨには、炭素水素結合が３つ、水素酸素結合が１つ、そしてさらに炭素酸素単結合Ｃ－Ｏが１つ含まれる。そしてどの水素酸素結合もどの炭素水素結合も、似た数値になることが分かっている。そこでそれらを平均して表にすると次のようである。　　　　　　　　　　　　　結合エネルギー　　　　Ｈ－Ｏ　４６３ｋＪ/ｍｏｌ　　Ｃ－Ｈ　　４１３ｋＪ/ｍｏｌ　　　　Ｃ－Ｏ　３５２　　　　　　　　Ｃ－Ｃ　　３４８　　　　Ｃ＝Ｃ　６０７　　　　　　　　Ｃ≡Ｃ　　８２８　　　　Ｃ＝Ｏ　７２４　　　　　　　　Ｈ－Ｎ　　３９１　　　　Ｈ－Ｓ　１３０　　　　　　　　Ｈ－Ｓｉ　２９５　上の表を使って次の熱化学方程式のＱの値を求めてみよう。　　　　Ｃ＋４Ｈ＋Ｏ＝ＣＨ₃ＯＨ(気) ＋Ｑ[ｋＪ] 　　　　メタノール　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 23 - 　　　　　　Ｃ－Ｈ　　４１３×３＝１２３９　　　　　　Ｃ－Ｏ　　　　　　　　　　３５２　　　　　　Ｈ－Ｏ　　　　　　　　　　４６３（＋　　　　　　　　　　　　　　　　　　２０５４＝Ｑ実際の数値は２０４０ｋＪであり、よく一致する。［４］イオン結合に移ろう。　　　　Ｎａ＋Ｃｌ＝ＮａＣｌ(固) ＋８１３ｋＪ　　　(１) 　　　　Ｍｇ＋Ｏ＝ＭｇＯ(固) ＋９９９ｋＪこれは共有結合と同じようには扱えない。前者で見ると、固体の塩化ナトリウムはナトリウムイオンＮａ⁺ と塩化物イオンＣｌ^- が、それぞれ相手のイオンをまわりにいくつも引き寄せる形で集合している。だから次の３つの過程に分けて考える。　①ナトリウム原子が電子を失ってナトリウムイオンになる（このとき得るエネルギーはイオン化エネルギーと呼ばれる）。　　　　Ｎａ＝Ｎａ⁺ ＋ｅ^- －４９６ｋＪ ②塩素原子が電子を得て塩化物イオンになる（このとき失うエネルギーは電子親和エネルギーと呼ばれる）。　　　　ｅ^- ＋Ｃｌ＝Ｃｌ^- ＋３４７ｋＪ備考：電子親和力は誤解を避けるため、電子親和エネルギーとした。まず２つの方程式の辺々をたし算すると　　　　Ｎａ＋Ｃｌ＝Ｎａ⁺ ＋Ｃｌ^- －１４９ｋＪ　　　(２) つまりナトリウム原子と塩素原子が電子をやり取りしてナトリウムイオンと塩化物イオンになるだけでは、むしろエネルギーを必要とする。イオン結合になるのは ③ナトリウムイオンと塩化物イオンが電気的引力で引き合って集合する。　　　　Ｎａ⁺ ＋Ｃｌ^- ＝ＮａＣｌ(固) ＋Ｑ'[ｋＪ]　　　(３) という過程が不可欠である。方程式(２)と(３)の辺々をたし算すると　　　　Ｎａ＋Ｃｌ＝ＮａＣｌ(固) ＋Ｑ'[ｋＪ] －１４９ｋＪ方程式(１)と比較して　　　　８１３＝Ｑ'－１４９　　　　　　Ｑ' ＝９６２となる。このようにＱ' の大きさがものを言う。　過程③では、イオンが小さいほどよく接近でき位置エネルギーが小さくなってＱ’が大きくなり、イオン結合は強くなる。つまりイオン半径が重要になる。またイオンの価数が大きいほど引力が大きく位置エネルギーが小さくなってＱ’が大きくなり、イオン結合は強くなる。　酸化マグネシウムの場合は、第１イオン化エネルギーと第２イオン化エネルギーの合計　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 24 - や、第１電子親和エネルギーと第２電子親和エネルギーの合計を扱うことになり複雑化する。章目次へ６．物質のエネルギーの利用［ａ］熱エネルギーの利用［１］物質のエネルギーを利用するには、化学的変化によってエネルギーがより小さい物質に変化させればよい。　人類は太古から物質を燃焼させ、熱エネルギーを取り出して利用してきた。このことは現在も大きくは変わっていない。　１８世紀になると、その熱エネルギーに仕事をさせることができるしくみが発明された。それは蒸気エンジンであり、産業革命を引き起こす原動力になった。［２］演示実験１では、模型の蒸気機関車（ＳＬ）に水を入れて固形燃料に火をつけると、しばらくして動き出した。　このしくみは次のようである。　　　　外から加熱して圧力容器中で水を沸とうさせて高温高圧の水蒸気をつくる。これを左の弁Ａからシリンダー内に注入してピストンを圧す。ピストンが右に動くと右側の温度が下がった水蒸気は排気口Ｂから外に出る。そして連動して右の弁Ｃが開き、シリンダーの反対側に水蒸気を注入してピストンを左に圧し返す。このくり返しである。［３］続いてシリンダー内にガソリンのような燃料を吸気ないし噴射し、点火・爆発させて仕事をさせる内燃エンジンや、羽根車に高温高圧の水蒸気や燃焼ガスを噴射するタービンエンジンが発明された。　他方で電磁誘導の法則を利用して発電機が発明された。この発電機を回すのには水力、火力、原子力が使われる。このうち火力は燃焼反応に伴う熱エネルギーを利用する。水力は位置エネルギーが大きい水を落下させ、運動エネルギーに変えて利用する。原子力は化学反応ではなく原子核反応のうちの核分裂によって放出される放射線のエネルギーを、熱エネルギーに変えて利用する。　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 25 - ［ｂ］効率など［１］熱エネルギーに仕事をさせるとき、熱エネルギーの一部は仕事に変わらずに失われる。自動車の排気ガスの熱エネルギーはその典型である。現在の普通の自動車の効率は１０％あまりである。　熱エネルギーに仕事をさせると、本質的な制約が隠れている。熱力学の理論では、高温の熱源の絶対温度をＴ₂ 、低温の熱源の絶対温度をＴ₁ とすると、その最大効率ｅは次の関係式で表される。　　　　ｅ＝（Ｔ₂－Ｔ₁)／Ｔ₂ 蒸気エンジンを例にして分かりやすく言うと、高温の熱源の絶対温度とは圧力容器内の水蒸気のそれであり、低温の熱源とはまわりの空気である。蒸気機関車では高温は２００℃ ＝４７３Ｋほどであり、低温を１５℃＝２８８Ｋとすると　　　　ｅ＝（４７３－２８８)／４７３＝０.３９＝３９[％] である。これより効率が高い蒸気機関車は存在せず、実際の効率は１０％くらいであった。　これから高い効率を得るには、高温の熱源の温度を高くする必要があることが分かる。例えば１０００℃なら　　　　ｅ＝（１２７３－２８８)／１２７３＝０.７７となる。問題は高温に長く耐えられる材料を開発することである。最新の火力発電機（コンバインド・サイクル）の効率は５０％ほどになっている。［２］人類はエネルギーを補給せずに動き続ける「永久機関」を夢見てきた。エネルギー保存則だけで考えると、エネルギーは姿を変えてもその量は一定に保たれるので、いつまでも使い続けれるように思える。　しかし最大効率の関係式から分かるように、熱エネルギーに仕事をさせるには、温度差が必要である。しかし他方で自然は温度差が無くなる方向に変化していく。そしてエネルギーを利用すると、それはやがて熱エネルギーになっていく。つまりエネルギーは「使い捨て」なのである。　ちなみに物質の方は、元素が不滅であるから、リサイクルが可能である。しかしリサイクルするにはエネルギーが必要であることを忘れてはならない。［ｃ］エネルギー問題［１］そのエネルギーを利用できる、エネルギーがより大きい物質にはどんなものがあるだろうか。水力や原子力は除いて、化学物質で考えてみよう。　使い捨てかいろの鉄のように、多くの金属はエネルギーが大きい。しかし得られるエネルギーは、鉱石から金属を精錬するときに与えたエネルギー（の一部）がもどってくるだけである。　現在私たちが主に利用しているのは、石油、天然ガス、石炭である。石油は炭化水素　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 26 - （Ｃ_nＨ_m ）、天然ガスは炭化水素の１種のメタン（ＣＨ₄ ）、石炭は主に炭素（Ｃ）である。　これらは燃焼によってエネルギーを取り出すので燃料と呼ばれる。これらからエネルギーを取り出すことができるのは、地球大気に酸素が含まれるおかげである。たとえば木星は水素のかたまりであるが、酸素が無いため木星で燃焼によって水素からエネルギーを取り出すことはできない。　そしてこれらの燃料を燃焼させると二酸化炭素が発生する。これによって大気中の濃度は、産業革命前の２倍になろうとしている。二酸化炭素は地球温暖化を引き起こす。　さらにこれらの燃料は、現在の人類の膨大なエネルギー消費量の前で、枯渇が近づいている。ちなみに２０００年のエネルギー消費量はおよそ４０京(きょう)ｋＪであり、５０年後には３倍になると予測されている（１京＝１０００兆）。［２］それではエネルギーが大きい物質で、大気の二酸化炭素濃度を増加させずかつ再生可能なものは何だろうか。それはバイオマス（生物資源）である。これは植物の光合成によっており、次の熱化学方程式で示される。　　　　６ＣＯ₂ ＋６Ｈ₂Ｏ＝Ｃ₆Ｈ₁₂Ｏ₆ ＋６Ｏ₂ －２８０２ｋＪ　　　　　　　　　　　　　　　ブドウ糖地球上で１年間に生産されるバイオマスは、エネルギーに換算するとおよそ５００京ｋＪである。そして光合成の元になるのは太陽エネルギーである。　しかしこれにも注意が必要である。バイオマスは食糧でもある。食糧生産と競合するようなバイオマスのエネルギー利用は厳に慎まねばならない。　ちなみに水力は限られており、自然破壊につながることがある。そして原子力は、原子炉で発生する高レベル放射性廃棄物を安全に廃棄する技術が確立していないと言う根本的問題を抱えている。問１　「水素のエネルギーが利用できるなら、水素を含む水は無尽蔵にあるので、エネル　　ギー問題は解決できる。」という考えはどこが間違っているか。［３］半永久的に地球にエネルギーを与えているのは太陽である。その量は１年間におよそ３６００００京ｋＪである。参考：雲による反射などで直接的に宇宙に失われる３４％は除く。　地球は太陽エネルギーを利用して４６億年進化してきた。そしてあと５０億年ほどは太陽が存在すると予測される。　ちなみに水力や風力は太陽エネルギーが姿を変えたものである。　現在の人類はエネルギー問題を背負っている。これをどのように解決していくべきか。　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 27 - その基本的視点は、地球環境のバランスを維持すること、そして現在の技術レベルに相応する範囲にエネルギー消費を抑えることであろう。　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 28 - 林正幸と主万子の始めのホームページ（to our initial Home Page）にもどる。

物質とエネルギー（改訂）

実 験

知識と概念

１．力学的エネルギー

２．状態とエネルギー

３．化学反応とエネルギー

４．ヘスの法則と生成熱

５．結合のエネルギー

６．物質のエネルギーの利用

　　物質とエネルギー（改訂）

　　実　験

　　知識と概念