０４．３
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　林　正幸

　　物質とエネルギーの世界

　　基礎実験


　　　　　　　　目　次
　　［ａ］ブラウン運動
　　［ｂ］発熱変化と吸熱変化
　　［ｃ］ヘスの法則
　　［ｄ］メタノールの燃焼熱
　　［ｅ］蒸気機関車（演示実験）
　　［ｆ］簡単燃料電池
　　［ｇ］簡単太陽炉の製作

　　テキスト


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［ａ］ブラウン運動
（１）１０倍にうすめた牛乳１滴をスライドガラスにのせ、カバーガラスをかける。
（２）顕微鏡を２５０倍にして観察する。
＜記録＞



＜準備＞
・約１０倍にうすめた牛乳
・スライドガラス、カバーガラス、スポイト
・顕微鏡

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［ｂ］発熱変化と吸熱変化
（使い捨てかいろ）
（１）鉄粉４５ｇが入った紙コップに食塩薬さじ２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、５０ｍｌ三角フラスコに水をくんで
ピペットでその３ｍｌを加え、よくかき混ぜ続ける。
（３）温度が上がってきたら、温度計を差し込んで調べる。何℃まで上がるか。
注意：温度計はかき混ぜに使用してはいけない。
（４）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。
（５）終わったら紙コップごと教卓に返す。
（アンモニアの発生）
（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。
（硫酸の水への溶解）

　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 1 -

（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。
（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

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［ｃ］ヘスの法則
（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）

　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 2 -

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ＢＴＢ０.２ｍｌ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１００ｍｌを注ぎ、振り混ぜて温度が安定したら
読み取る。
　　　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。
（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）

　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 3 -

（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

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［ｄ］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、この熱容量はアルミニウム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１［ｌ］を入れ、ときどきかき混ぜながら温度
を計測する。
　　　　（　　 ）℃
（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、

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　　　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１［ｌ］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）できるなら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。
　　　　熱容量　　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
　　　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
・１［ｌ］ビーカー
　　（正確な１［ｌ］の目盛りを印しておく）

　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 5 -

・アルコール温度計、ガラス棒
・大型バット、ブロワー

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［ｅ］蒸気機関車（演示実験）
＜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

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［ｆ］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＞



＜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

　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 6 -

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［ｇ］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。
（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。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 7 -

（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（０９．２）＞
　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 -

　　物質とエネルギーの世界

　　　　　　　　目　次
　　１．エネルギーとは何か
　　２．物質のエネルギー
　　３．化学的変化とエネルギー
　　４．熱化学方程式
　　５．ヘスの法則と生成熱
　　６．物質エネルギーの利用
　　７．地球上のエネルギー


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１．エネルギーとは何か

　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、石油エネルギー、太陽エネルギー、水素エネルギー、エネルギー問
題といったようである。しかし改めてエネルギーとは何かと尋ねられたら、どう返事をす
ればよいだろうか。

［ａ］物質の身分証明書
［１］いきなり本質から始める。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。物質はエネルギーを持たずには存在できない。
　　「物質はその種類によって、また同じ物質でもその状態によって、
　　　　　　　　　　　　　　　それぞれある決まった量のエネルギーを持つ。」
そして物質が持つエネルギーの量は物質の量に正比例する。
　水１ｍｏｌが持つエネルギーの量、二酸化炭素１ｍｏｌが持つエネルギーの量、塩化ナ
トリウム１ｍｏｌが持つエネルギーの量はそれぞれに決まっている。
　そして同じ水１ｍｏｌでも、２０℃と８０℃ではエネルギーの量が（異なる）。また０
℃の水１ｍｏｌと０℃の氷１ｍｏｌでもエネルギーの量が異なる。同じ二酸化炭素１
ｍｏｌでも、圧力が１ａｔｍのものと２ａｔｍのものではエネルギーの量が異なる。同じ
塩化ナトリウム１ｍｏｌでも、固体状態と水に溶解した状態ではエネルギーの量が異なる。
　言い換えると、同じ種類、同じ状態の物質１ｍｏｌが（異なる）量のエネルギーを持つ
ことはあり得ない。エネルギーの量は物質の種類、状態を示す身分証明書のようなもので
ある。ただし誤解のないように注意するが、異なる種類、異なる状態の物質１ｍｏｌがた
またま同じ量のエネルギーを持つことはある。
参考：物質１ｍｏｌとは、それを構成する極く小さい粒子がアボガドロ定数
　　　（６×１０23 ）の個数だけ集まった量である。
［２］さらに踏み込んでみる。アインシュタインによると、物質はエネルギーそのもので
ある。質量がｍの物質が静止しているとき、そのエネルギーの量Ｅはそれに光速ｃの２乗
を掛けた量である。
　　　　　　Ｅ ＝ ｍｃ2
　また真空もエネルギーを持って存在しており、現代天文学ではそれを暗黒エネルギーと
呼び、宇宙はそのために加速的に膨張しているのではないかと考えている。
［ｂ］エネルギーの基本的形態

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［１］エネルギーにはいろいろな形態があるが、基本的なものは運動エネルギーと位置エ
ネルギーである。
［２］（運動エネルギー）は物体がある速度で運動していることに対応して持つエネルギ
ーである。運動エネルギーＥ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 ＝ (1/2)ｍｖ2
つまり運動エネルギーは速度の２乗に比例する。
［３］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」と言われる。これを図のように宇宙的視野で見直してみよう。

　　　　

　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）は
　　　　「引き合う物体どうしが
　　　　　　　　　　ある距離で位置していることに対応して持つエネルギー」
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。
参考：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。

［ｃ］エネルギー保存の法則
［１］物質はその状態が変化したり、化学反応などにより他の物質に変化したりするとき、
まわりの物質とエネルギーのやり取りをする。物質が孤立しているなら、物質の内部でエ
ネルギーの形態が転換する。そしていずれの場合も
　　　　「エネルギーの全体の量は一定に保たれる。」
これは（エネルギー保存の法則）と呼ばれる。
［２］１ａｔｍの下で、１００℃の水１ｍｏｌが沸とうして、１００℃の水蒸気になる場
合、水は４１ｋＪのエネルギーをまわりから得る。このときまわりは同じ４１ｋＪのエネ
ルギーを失う。多くの場合それは燃焼ガスのエネルギーである。
　ここでｋＪとはエネルギーの量を表す単位である。
　　　　１ｋＪ ＝ １０００Ｊ

　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 10 -

そしてＪ（ジュール）はエネルギーの量の基本単位である。
備考：ここで取り上げた数値は物質が持つエネルギーそのものではなく、厳密には物質の
　　　エンタルピーである。今後ともこの違いは無視する。
［３］化学的事例ではないが、地表付近で１ｋｇのボールが１ｍ落下すると、位置エネル
ギーが９.８Ｊ減少し、代わりに運動エネルギーが９.８Ｊに増加する。つまり位置エネル
ギーが運動エネルギーに転換する。

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２．物質のエネルギー

［ａ］実験「ブラウン運動」
［１］それでは物質はどんな形態のエネルギーを持つのだろうか。うすめた牛乳を顕微鏡
で観察すると、脂質でできた脂肪球という小さい粒子が揺れ動くように乱雑な運動をして
いる。これは（ブラウン運動）と呼ばれるが、花粉を観察してこれを発見したブラウンは、
花粉が生きているからだと誤解した。
　これは顕微鏡でも観察できない極く小さい水分子自身が乱雑に運動しており、これは熱
運動と呼ばれる。その水分子が脂肪球に衝突をくり返すために起こる。こうして私たちは
間接的に分子の（熱運動）を観察することができる。
　ちなみに水中の石ころのように大きくなると、各方向の衝突が平均化されてブラウン運
動は観察できなくなる。
［２］熱運動の形式は固体、液体、気体によって異なるが、たとえは気体分子が飛行する
運動については次の関係式が成り立つ。
　　　　(1/2)ｍｖ2 ＝ (3/2)ｋＴ
　　　　　　ｍ：分子１個の質量［ｋｇ］
　　　　　　ｖ：分子の平均飛行速度［ｍ/ｓ］
　　　　　　ｋ：ボルツマン定数　　１.３８×１０-23［Ｊ/Ｋ］
　　　　　　Ｔ：絶対温度（Ｋ（ケルビン））
参考：絶対温度はこの世の最低温度を０とした尺度で、せっ氏温度ｔと次の関係がある。
　　　　　　　Ｔ ＝ ｔ＋２７３
　上の式は計算しにくいのでアボガドロ定数倍する、つまり１ｍｏｌの分子についての関
係式に直す。
　　　　(1/2)(Ｍ／１０００)ｖ2 ＝ (3/2)ＲＴ
　　　　　　Ｍ：モル質量［ｇ/ｍｏｌ］
　　　　　　Ｒ：気体定数　　８.３［Ｊ/Ｋ・ｍｏｌ］
参考：モル質量とはその物質１ｍｏｌの質量のことである。
［例題］１５℃の空気の中の酸素分子の平均飛行速度を計算せよ。酸素分子のモル質量は

　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 11 -

３２［ｇ/ｍｏｌ］である。
　　絶対温度は２８８Ｋであるから
　　　　(1/2)(３２／１０００)ｖ2 ＝ (3/2)×８.３×２８８
　　　　ｖ2 ＝ ２２４１００
　　　　ｖ ＝ ４７３
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　答　４７３［ｍ/ｓ］
　極く小さい酸素分子がこのように大きい平均飛行速度で運動していることは、熱運動が
いかにめまぐるしいかを窺わせる。
［３］始めの関係式からわかるように、分子の質量が小さいほど平均飛行速度は大きくな
る。
　また左辺は分子の飛行運動の平均運動エネルギーである。したがって平均運動エネルギ
ーは（温度）のみに依存し、絶対温度に正比例しており、分子の種類には無関係である。
言い換えると、温度は分子の飛行運動の平均運動エネルギーの大小を表している。
　このことは気体の他の形式の熱運動や液体や固体のいろいろな熱運動にも当てはまる。
平たく言えば、
　　　　「温度は熱運動の平均の激しさを表している。」
つまり温度が同じなら、熱運動の平均の（激しさ）は分子の種類に依らず同じである。
［４］以上で分かるように、物質は膨大な運動エネルギーを持つ。
備考：振動という形式の運動には位置エネルギーも含まれる。

［ｂ］沸とう
［１］水を加熱するとやがて１００℃になり、沸とうが始まる（１ａｔｍの下では）。加
熱を続けるとどんどん水蒸気が発生するが、その温度は１００℃である。
　液体では水分子はほぼ接触してひしめくような状態にあるが、気体では水分子は広い空
間にばらばらと存在する。
［２］加熱によりエネルギーを得て、分子間の距離が大きくなる。これは水が（位置エネ
ルギー）を持つことを窺わせる。化学結合の学習では、原子どうしがイオン結合や共有結
合や金属結合をして引き合う。また分子どうしが、極性による引力や水素結合などの分子
間力で引き合うことが出てくる。
［３］物質は位置エネルギーも持つ。そして液体より気体の方が、結合した分子よりばら
ばらの原子の方がより（大きい）位置エネルギーを持つことに注意しよう。

［ｃ］内部エネルギー
［１］熱運動や化学結合・分子間力によって物質がエネルギーを持つことが分かったが、
これとは別に物質は全体（かたまり）としてある速度で運動したり、ある高さに位置する

　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 12 -

ことによってもエネルギーを持つ。前者のエネルギーは物質を構成する極く小さい粒子が
担っており、物質がその内部に貯めているという意味で（内部エネルギー）と呼ばれる。
これからは内部エネルギーを中心に話を進める。

［ｄ］熱エネルギー
［１］熱という用語は日常的にもよく使われる。しかし「風邪で熱がある」などと、誤っ
て物体の中に熱が含まれるように言う。これは１８世紀の「熱素説」の名残である。
　これからは熱の代わりに熱エネルギーという用語を使うことにしょう。そうすれば科学
的にも正しい表現になる。そして熱エネルギーとは、内部エネルギーのうち熱運動による
エネルギーのことである。
［２］加熱とは（熱エネルギー）を与えることである。伝熱とは、激しく熱運動している
粒子の熱エネルギーが、ゆるやかに熱運動している隣の粒子に与えられることによって、
熱エネルギーが移動することである。

課題：ポットに水を入れ、激しく振ると水の温度が上がるか。

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３．化学的変化とエネルギー

［ａ］実験「発熱変化と吸熱変化」
［１］使い捨てかいろ
　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
する。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(V)
ここで食塩は反応を促進する触媒のはたらきをする。
［２］アンモニアの発生
　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）なる。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
［３］硫酸の水への溶解
　水に少しずつ濃硫酸を溶解すると、沸とうするほどになる。
［４］酢酸ナトリウムの凝固
　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
て温かくなる。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 13 -

　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。

［ｂ］等温等圧変化
［１］上の３つの実験では時間が経つと、温度が高くなる場合はまわりに熱エネルギーを
与えて、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
ように最終的に温度が変化しないと言える変化は等温変化と呼ばれる。また圧力も大気圧
に保たれる。つまり（等温等圧変化）である。そして等温等圧変化においてまわりに熱エ
ネルギーを与える変化は発熱変化と呼ばれる。
［２］「アンモニアの発生」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
エネルギーを奪って、まわりと同じ温度になる。等温等圧変化においてまわりから熱エネ
ルギーを奪う変化は（吸熱変化）と呼ばれる。
　これからは等温等圧変化を中心に話を進める。そして数値が出てくる場合は、とくに断
らない限り２５℃、１ａｔｍの下におけるものである。
［３］化学的変化がまわりに与える熱エネルギーを、このテキストでは一般的に変化熱と
呼ぶことにする。そして化学反応に伴う変化熱は（反応熱）と、物質が溶解するときの変
化熱は溶解熱と呼ばれる。まわりから熱エネルギーを奪う場合はマイナスの符号を付ける。
備考：三態変化に伴う変化熱は、その定義からすべてプラスの数値になる。

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４．熱化学方程式

［ａ］熱化学方程式
［１］化学的変化に伴って発熱や吸熱があるのは、１章の説明から当然のことである。つ
まり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与える。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奪うはずである。そして化学的変化において
は、まわりに与えたり奪ったりするエネルギーは熱エネルギーであることが多い。
　これは逆に見ることもできる。ある変化が（発熱）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］このことをさらにくわしく説明する。水素と酸素が反応する場合を考える。水素１
ｍｏｌ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２８６
ｋＪのエネルギーを与える（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

　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 14 -

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１
ｍｏｌ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。
4　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４１ｋＪのエネルギーを奪って水蒸気にな
る変化の熱化学方程式はどうなるだろうか。
　　　　Ｈ2Ｏ(液) ＝ Ｈ2Ｏ(気) − ４１ｋＪ
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４１ｋＪ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。
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(V)１
ｍｏｌが生成すると、まわりに４０３ｋＪのエネルギーを与える。

（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のエネルギーを奪う。


［ｂ］エネルギー変化グラフ
［１］以上のこと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。別の学習では変化の
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

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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。




［ｃ］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が燃焼する変化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のエネルギーを奪うことが分かる。もしそれを電気分解で実
現するなら、２８６ｋＪの電気エネルギーを必要とする。
［２］次の２つの熱化学方程式がある。
　　　　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 − ＣＯ ＋ (1/2)Ｏ2 ＝ １１１ｋＪ
　　　　Ｃ ＋ (1/2)Ｏ2 ＝ ＣＯ ＋ １１１ｋＪ
この方程式から、炭素１ｍｏｌと酸素(1/2)ｍｏｌが反応して（不完全燃焼して）一酸化炭
素１ｍｏｌが生成すると、まわりに１１１ｋＪのエネルギーを与えることが分かる。
　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
は次章で生成熱としてさらに深める。

［ｄ］補　足
［１］「硫酸の水への溶解」では、硫酸１ｍｏｌが十分な水に溶解すると、まわりに９５
ｋＪのエネルギーを与える。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、 Ｈ2ＳＯ2ａｑ は水に溶解した硫酸１ｍｏｌを意味する。もし

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水が少ないと、その硫酸水溶液に水を追加するとさらに発熱する。高校では十分な水を使
う場合のみを扱う。
［２］「酢酸ナトリウムの凝固」では、「凍れば冷たいのではないか」と疑問に感じる生
徒がいる。固体を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）になるのは当然のことである。
　日常経験では過冷却の水などはなく、水が自発的に凍ることはない。水を凍らせるには
まわりを０℃より低くして強制的に液体の水からエネルギーを奪う必要がある。これが凝
固＝冷たいという誤解を与える。しかし考えてみると水を強制的に凍らせるときにも、液
体の水はまわりにエネルギーを与えている。

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５．ヘスの法則と生成熱

［ａ］実験「ヘスの法則」
［１］１章では「同じ種類、同じ状態の物質１ｍｏｌが異なる量のエネルギーを持つこと
はあり得ない。」ことを天下り的に学習した。このことはどのように確認できるだろうか。
　実験では始めの物質として次を準備する。
　　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
　　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）
である。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になる。
　　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
［２］始めの３種の物質はある決まった量のエネルギーを持ち、終わりのリン酸ナトリウ
ム水溶液もある決まった量のエネルギーを持つので、どちらのコースを通ろうとも、全体
としてまわりに与えるエネルギー量は同じになるはずである。実験では断熱してその熱エ
ネルギーで温度が上昇するようにする。したがって途中では物質が異なり温度上昇が異な
っても、全体としての温度上昇は（同じ）になるはずである。
［３］結果は次のようであり

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　　　　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）
理論通りである。
［４］山登りに例えてみよう。麓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、頂上や麓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。

［ｂ］水の熱容量
［１］ここで化学的変化がまわりに与えたり奪ったりするエネルギー量を計測する方法の
ひとつを説明する。
　物質１ｍｏｌがその温度を１℃上げるのに必要とする熱エネルギーは、モル熱容量と呼
ばれる。これは温度によって少しずつ変化していくが、比較的せまい温度範囲では一定と
見なすことができる。液体の水のモル熱容量は７５.３Ｊ/ｍｏｌ・℃である。このままでは
通常の計測には使いにくいので１ｇあたりに換算すると
　　　　水の熱容量　　４.２Ｊ/ｇ・℃
である。
［２］「ヘスの法則」で水酸化ナトリウムが十分な水に溶解する場合の発熱量を求めてみ
る。実験では水酸化ナトリウム４.０ｇ＝０.１ｍｏｌを１００ｍｌ＝１００ｇの水に溶か
すと、あるデータでは温度が９.８℃上昇した。できる水酸化ナトリウム水溶液１０４ｇは、
その濃度が希薄であるため（熱容量）が水と同じと見なすことができる。したがってこの
変化に伴って
　　　　４.２×１０４×９.８ ＝ ４２８０［Ｊ］＝ ４.３［ｋＪ］
の熱エネルギーをまわりに与えることが分かる。１ｍｏｌあたりでは４３ｋＪとなり、こ
れは水酸化ナトリウムの（溶解熱）と呼ばれる。文献値は
　　　　水酸化ナトリウムの溶解熱　　４５ｋＪ/ｍｏｌ
であり、よい計測ができている。これは熱化学方程式では次のように表される。
　　　　ＮａＯＨ ＋ ａｑ ＝ ＮａＯＨａｑ ＋ ４５ｋＪ
問１　五酸化二リン２.４ｇ＝(０.１/６)ｍｏｌ＝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



　　　　　　　　　　　　　　　　　- 18 -

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（答　Ｑ＝１９０）

［ｃ］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１ｍｏｌ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与えるエネルギー」とする。
［２］たとえば４章の熱化学方程式
　　　　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。
［３］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奪うことを意味する。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。
　次のように物質の生成熱を利用して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
ｋＪ/ｍｏｌである。エネルギー変化グラフを描いて、次の熱化学方程式のＱを求めよ。
　　　　Ｃ2Ｈ4 ＋ ３Ｏ2 ＝ ２ＣＯ2 ＋ ２Ｈ2Ｏ(液) ＋ ＱｋＪ

　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　答　Ｑ＝１４１２

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課題：いろいろな中和反応や溶解が発熱か吸熱か、調べてみよう。
　　　変化熱を計測して、熱化学方程式をつくってみよう。

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６．物質エネルギーの利用

［ａ］実験「メタノールの燃焼熱」
［１］（　５.０）℃のアルミ片（実質は６００ｇ相当）を空き缶に入れ、金網を被せて逆
さにし、メタノールが入ったアルコールランプで５分加熱する。そして缶を元にもどし、
水温が（　４.８）℃の水１０００ｍｌを加え、ガラス棒でかき混ぜて温度を計測すると
（　９.４）℃まで上昇した。燃焼したメタノールは（１.２６）ｇである。
［２］実験データを使って、メタノールの燃焼熱を計算する。アルミニウムの熱容量は
０.８８Ｊ/ｇ・℃であるから、アルミ片が得た熱エネルギーは
　　　　０.８８×６００×（４.４）＝　（２３２０）Ｊ
であり、水が得た熱エネルギーは
　　　　４.２×１０００×（４.６）＝（１９３２０）Ｊ
である。メタノールの燃焼が与えた熱エネルギーは
　　　　（２１６４０）Ｊ ＝（２１.６４）ｋＪ
である。１ｍｏｌ＝３２ｇあたりでは
　　　　（２１.６４）×３２／（１.２６）＝（５５０）ｋＪ/ｍｏｌ
となる。ちなみに文献値は６４５ｋＪ/ｍｏｌである。より正確な計測にはボンブ熱量計を
用いる。
　　　　ＣＨ3ＯＨ ＋ (3/2)Ｏ2 ＝ ＣＯ2 ＋ ２Ｈ2Ｏ(気) ＋６４５ｋＪ
［３］物質エネルギーを利用するには
　　　　「物質を化学的変化によってよりエネルギーが小さい物質に変化させる」
ようにすればよい。
　人類は太古から物質エネルギーを（燃焼）によって熱エネルギーに転換して利用してき
た。それは現代でも調理や暖房に利用している。

［ｂ］実験「蒸気機関車」（演示実験）
［１］それでは熱エネルギーに仕事をさせてみよう。一般に（仕事）をする方はエネルギ
ーを失い、仕事をされる方は同じ量のエネルギーを（得る）。こうして仕事の量は、仕事
を通して得たエネルギーの量で表す。そして仕事にはエネルギーのやり取りが伴う。
［２］模型の蒸気機関車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す。
問　仕組みと動作原理を考えよう。

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［３］人類が最初に成功したのは蒸気エンジンである。これは産業革命を引き起こす原動
力になった。ワットが発明した蒸気機関車（ＳＬ）では、圧力容器の中で水を沸とうさせ
て高温の水蒸気をつくる。それを弁を使ってシリンダーに注入する。水蒸気はピストンを
押す。
　それは加熱されてできる水蒸気が、まわりの常温の空気中の分子より（大きい）運動エ
ネルギーを持つ。ピストンの両側では気体分子が飛行運動によって衝突をくり返している
が、運動エネルギーが大きい分子はより大きい衝撃力（圧力）を与えるためである。ピス
トンの直線運動はロッドによって車輪の回転運動に変えられる。
　車輪の回転に合わせて弁を逆にし、車輪（はずみ車）の勢いを利用して、ピストンを元
にもどしながら水蒸気を排気する。そし再び水蒸気を注入する・・・。こうして熱エネル
ギーが列車の運動エネルギーに転換する。
　ワットは水が沸とうするとき、やかんのふたがカタカタと持ち上げれることがヒントに
なったそうである。
［４］その後人類は、シリンダーの中で燃料を燃焼させる内燃エンジンや、気体を羽根に
吹き付けるタービンエンジンなどを発明し、動力や輸送に利用している。
　またそれで発電機をまわしている。このとき運動エネルギーが電磁誘導によって電気エ
ネルギーに転換する。

［ｃ］人類のエネルギー消費量
［１］現代の主要なエネルギー源は石油、石炭、天然ガス、ウランであり、１９９６年の
世界のエネルギー消費量は１年間に石油換算で８４億トンである（「世界国勢絵図」よ
り）。これをもとにエネルギー消費量をキロジュール単位で計算してみよう。
［２］石油の燃焼熱（発熱量）は平均４４ｋＪ/ｇであり、１００万倍すると
　　　　　　　４４００００００ｋＪ/トン＝０.４４億ｋＪ/トン
になる。したがって
　　　　８４×１００００００００×０.４４＝３７００００００００[億ｋＪ]
　　　　　　　　　＝３７[京ｋＪ]　（１京(きょう)＝１００００兆）
となる。つまりエネルギー消費量は１年間におよそ（４０京ｋＪ）である。
　そしてこのまま経済活動を続ければ、この数値は２０５０年には３倍になると見積もら
れる。

［ｄ］効率

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［１］エネルギーに仕事をさせるとき、供給するエネルギーの一部は目的から外れて失わ
れる。たとえば自動車では、熱エネルギーが排気ガスとして失われたり、それから転換さ
れた運動エネルギーが駆動システムの摩擦によって失われたりする。
　供給するエネルギー量に対する、目的に適う仕事量の比率は効率と呼ばれる。
　　　　効率 ＝ 目的に適う仕事量／供給するエネルギー量
現在の普通自動車の効率は１０％あまりである。もし摩擦がゼロにできれれば、平坦な道
路では一端加速すれば、永久に走行できるはずである。
［２］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。熱力学の理論による
と、高温の熱源とまわりの空気など（低温の熱源という）の温度差によって、効率は最大
でも次の値を超えられない。
　　最大効率 ＝（高温の絶対温度 − 低温の絶対温度）／（高温の絶対温度）
蒸気機関車では２００℃＝４７３Ｋの水蒸気を利用する。その圧力は大気圧の１６倍であ
る。低温を１５℃＝２８８Ｋとすると
　　最大効率 ＝（４７３−２８８）／４７３＝０.３９＝３９[％]
となる。
　現在の火力発電の効率は平均 1/3 程度であり、1/2 あたりが限界と言われる。そのひと
つの理由は高温に耐えられる材料が無いことである。
［３］言うまでもなく、エネルギーを利用する（効率）を高めることは、人類の基本課題
である。

［ｅ］実験「簡単燃料電池」
［１］手まわし発電機で水酸化ナトリウム水溶液を電気分解すると、プラス極（陽極）で
は酸素が発生して一部が炭素板に吸着される。またマイナス極（陰極）では水素が発生し
てやはり一部が吸着される。
　そしてメロディテスターを接続すると音楽が流れ、ソーラーモータがまわり、電池にな
っていることが確認できる。
［２］水素側の電極では、水素が次のように電子を与える。
　　　　４ＯＨ- ＋ ２Ｈ2 ―→ ４Ｈ2Ｏ ＋ ４ｅ-
これに対して酸素側の電極では酸素が次のように電子を奪う。
　　　　４ｅ- ＋ ２Ｈ2Ｏ ＋ Ｏ2 ―→ ４ＯＨ-
参考：ここでは上の反応式を厳密に理解する必要はない（詳しくは講座プラン「電子やり
　　　取り反応の世界」を参照）。
［３］全体としての反応は水素が燃焼する場合と同じである。
　　　　２Ｈ2 ＋ Ｏ2 ―→ ２Ｈ2Ｏ
　実験のように燃焼と同じ反応を利用して、電気エネルギーを与える装置は（燃料電池）

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と呼ばれる。実際には酸素の代わりに空気が利用される。 参考：水素を使う燃料電池の電極での反応式はその種類によって異なるが、全体としての
　　　反応式は同じである。
［４］燃焼反応そのものは熱エネルギーを与える。そして燃焼でも燃料電池でも、水素
（と酸素）が与える全体のエネルギー量は同じであり、それは水素と酸素のエネルギー量
と水のエネルギー量の差であり、これはエネルギー保存の法則から変わりようがない。
　しかし火力発電に比べて、燃料電池では物質エネルギーを効率よく利用できる。実用化
されている燃料電池の効率は８０％を越える（同時に発生する熱エネルギーの利用を含
む）。

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７．地球上のエネルギー

［ａ］簡単太陽炉の製作
［１］自作の大陽炉に手先をかざすと、（熱く）感じられる。
　また先生が製作した大陽炉を使って、おいしいゆで玉子（「ひかり玉子」）ができる。
［２］太陽は（核融合）によって膨大な放射エネルギーを宇宙に発散している。それは主
に水素の原子核４つが融合してヘリウムの原子核になる核反応で、水素の原子核が持つエ
ネルギーが放射エネルギーに転換する。放射エネルギーとは電磁波が持つエネルギーであ
り、太陽が発散するのは主に近赤外線、（可視光線）、紫外線である。太陽からの放射エ
ネルギーは太陽エネルギーと呼ばれる。
　その強度は地球の軌道付近では
　　　　１.３７ｋＪ／ｓ・ｍ2
つまり、太陽に向いた１ｍ2 の面積に１ｓあたり１.３７ｋＪのエネルギーが到着する。こ
の数値は太陽定数と呼ばれる。
　しかし雲による反射などでその３４％が宇宙に失われ、大気などがその１９％を吸収し、
地表が吸収するのは全体の４７％である。

　　　　
　　　　　　　　（新地学教育講座「気象T」より）

［３］つまり地球は（太陽定数）の６６％を受ける。その面積は地球の断面積であり、地

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球の半径は６３７０ｋｍである。したがって地球が１年間に受ける太陽エネルギーは
　　１.３７×０.６６×３.１４×(６.３７×１０6 )2 ×３６００×２４×３６５
　　　　＝３.６×１０２１ [ｋＪ] ＝ ３６００００[京ｋＪ]
である。
　人類の消費エネルギー４０京ｋＪ（６章を参照）が、太陽エネルギーの０.０１％余り、
言い換えると太陽エネルギーは人類のエネルギー消費量の（１万）倍程度であることは頭
に入れておこう。

［ｂ］エネルギーは使い捨て
［１］ここでエネルギーのもうひとつの特徴を説明する。人類が消費するエネルギーはや
がて熱エネルギーに転換する。そして熱エネルギーは高温から低温に伝わって同じ温度に
なる。そうなる最大効率（６章を参照）がゼロになるので、もう仕事をさせることができ
ない。
　エネルギー保存の法則が成り立つにもかかわらず
　　　　「エネルギーは本質的に（使い捨て）である。」
人類は常にエネルギーを獲得し続ける必要がある。その意味で（省）エネルギーは私たち
の道徳の基本である。
［２］これは人類が利用するさまざまな物質と好対照である。物質は元素からできており、
元素は不滅であるから、物質は本質的に（循環）して利用し続けることが可能である。た
だし物質を循環利用するためにもエネルギーが必要である。

［ｃ］太陽エネルギーの行方
［１］地球が受ける太陽エネルギーは、途中で大気が吸収してその熱エネルギーに転換す
る。そして赤道付近と両極付近のアンバランスが大気の大循環を産み出す。偏西風や貿易
風である。
　地表に届くほとんどは、陸地や海洋が吸収してその熱エネルギーに転換する。そして地
表付近の大気に伝わって大気の熱エネルギーに転換し、上昇気流を産み出す。また水を蒸
発させて水蒸気のエネルギーに転換し、大気と混合して移動する。
　以上が関わり合ってさまざまな気象現象を産み出す。（風力エネルギー）も、波力エネ
ルギーも、水力エネルギーも、もとをただせば太陽エネルギーである。
　ちなみに海洋が得る熱エネルギーのアンバランスは海流を産み出す。
［２］地表に届く太陽エネルギーのわずかな部分は、植物が利用する。緑色植物は（光合
成）によってブドウ糖（と酸素）を生産する。その熱化学方程式は次のようである。
　　　　６ＣＯ2 ＋ ６Ｈ2Ｏ ＝ Ｃ6Ｈ12Ｏ6 ＋ ６Ｏ2 − ２８０２ｋＪ
　　　　　　　　　　　　　　　ブドウ糖

　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 24 -

つまり太陽エネルギーはブドウ糖（と酸素）のエネルギーに転換する。言い換えるとブド
ウ糖（と酸素）は（太陽エネルギー）を蓄積する。そのエネルギーは１年間におよそ
　　　　５.０×１０18 ｋＪ ＝ ５００京ｋＪ
である。これは地球が受ける太陽エネルギーの０.１４％であり、地表が吸収する量の
０.１９％である。つまり植物は地表に届く太陽エネルギーのおよそ１０００分の２を利用
している。そして人類のエネルギー消費量はその１０％程度である。
問１　光合成によって１年間に生産されるブドウ糖は何億トンか。


　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（３２００億トン）
［３］光合成で産み出されたブドウ糖は、そのままあるいは他の糖質、脂質、タンパク質
などに変化して、植物自身や動物などの栄養になり、生命活動のためのエネルギーに転換
する。これは主に（酸素）呼吸によっており、その熱化学方程式は光合成と逆向きである。
　　　　Ｃ6Ｈ12Ｏ2 ＋ ６Ｏ2 ＝ ６ＣＯ2 ＋ ６Ｈ2Ｏ ＋ ２８０２ｋＪ
　　　　ブドウ糖
こうして生物の生活は太陽エネルギーで支えられていることが分かる。

　　　　

［４］石炭は今から３億５千万年前から始まる古生代石炭紀に、余剰のブドウ糖が８千万
年かけて蓄積し変化したものである。石油や天然ガスあるいはメタンハイドレートの起源
は定かではないが、生物起源とすれば同様の過程があったはずであり、そうでなくても一
度限りのエネルギー源である。
　これらをわずか１００年程度で消費し尽くそうとする人類の活動が、地球（環境）を破
壊することは自明である。

［ｄ］持続可能なエネルギー源
［１］永続的に獲得できるエネルギー源は太陽をおいて他にはないと言える。地熱エネル
ギーは大量に利用することが困難であり、海水に含まれる重水もそれを利用できる核融合
技術が当面開発されそうにない。
［２］太陽電池は半導体の性質を利用して太陽エネルギーを電気エネルギーに転換する。
現在の効率は１５％であるが、それを４０％まで引き上げることが期待される。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　- 25 -

　風力発電は基本技術がすでに確立しており、最近大きな注目を集めている。一説による
と、風力エネルギーだけで人類が現在消費するエネルギーをまかなうことができるそうで
ある。
　「バイオマス」は生物が生産する資源という意味である。これは主に光合成によって生
産されるので、エネルギー量で見ると人類のエネルギー消費量の１０倍余りある。バイオ
マスは地球が４６億年を掛けて築き上げた自然の循環の一部であるから、本来的には環境
を破壊しない。これは資源（物質）として石油に代わるべきものである。そしてエネルギ
ー源としては、余剰や廃棄物をそのまま燃料として、あるいはアルコールやメタンに変化
させて利用することができる。
参考：食糧はバイオマスの一部と考えることもできる。
［３］ここで「水素エネルギー」に触れておく。一部の人たちは水素がエネルギー源にな
るなら、これは水にいくらでも含まれるから、エネルギー問題は解決すると誤解する。４
章で学習した次の熱化学方程式をもう一度見てみよう。
　　　　Ｈ2 ＋ (1/2)Ｏ2 ＝ Ｈ2Ｏ(液) ＋ ２８６ｋＪ
確かに水素は酸素と反応してエネルギーを与える。しかしそれを水からつくると同じ量の
エネルギーを必要とする。効率を考えると余計にエネルギーが必要である。
　水素が未来のエネルギー源として注目されるのは、燃料電池の燃料などになり、それに
よって排出されるのが水であって大気を汚染しないためである。
参考：現在の燃料電池の多くは、燃料の水素を石油などからつくるので、単純に環境にや
　　　さしいとは言えない。
［４］最後に、太陽エネルギーは地球上で熱エネルギーに転換しながら蓄積していくのだ
ろうか。もしそうなら地球はやがて火の玉になってしまう。そうではない。地球は太陽か
ら受けると同じ量のエネルギーを、温度が低い宇宙に対して遠（赤外線）に転換して発散
している。その前にできるだけ利用するのが人類の知恵である。エネルギーは減るもので
はないから・・・。
問２　太陽エネルギーを利用するアイデアを出してみよう。








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