熱化学と熱量測定

熱化学は化学反応によって吸収または放出される熱を定量化し、熱量測定はその熱を測定して反応エンタルピーと熱容量を得る実験技術である。

Definition

熱化学は、化学反応および相変化において発生または吸収される熱の研究であり、熱量測定は、これらの熱および物質の熱容量を測定する一連の実験手法である。

Scope

このトピックでは、化学反応に伴う熱変化、すなわち生成、燃焼、反応の標準エンタルピー、ヘスの定常熱総和の法則、キルヒホッフの法則による反応エンタルピーの温度依存性、および結合エンタルピーについて扱う。また、爆弾熱量計や定圧熱量計、示差走査熱量計などの熱量測定技術と、熱容量の測定についても扱う。熱容量の統計力学的予測は、統計熱力学の項目で扱われる。

Core questions

• ヘスの法則は、表にまとめられた生成エンタルピーから反応エンタルピーをどのように組み合わせることを可能にするか？
• キルヒホッフの法則は、反応エンタルピーの温度依存性をどのように記述するか？
• 爆弾熱量計と定圧熱量計は、内部エネルギーとエンタルピーの変化をどのように測定するか？
• 結合エンタルピーは、反応エンタルピーを推定するためにどのように使用されるか？

Key concepts

• 生成と反応の標準エンタルピー
• ヘスの定常熱総和の法則
• キルヒホッフの法則と熱容量
• 爆弾熱量測定と定圧熱量測定
• 結合エンタルピー

Key theories

ヘスの法則

エンタルピーは状態関数であるため、反応のエンタルピー変化は経路によらず同じであり、したがって反応エンタルピーは表にまとめられた標準生成エンタルピーから加算および減算できる。

キルヒホッフの温度依存性の法則

反応エンタルピーの温度による変化は、生成物と反応物の間の熱容量の差によって支配され、ある温度で測定されたエンタルピーを別の温度に補正することを可能にする。

Clinical relevance

熱化学と熱量測定は、エネルギーおよび燃焼工学に必要な燃料値と反応熱、プロセスおよび原子炉の安全性に関する熱データ、生化学における示差走査熱量測定および等温滴定熱量測定によって測定される安定性および折りたたみエネルギー、そして食品の栄養エネルギー含有量を提供する。

History

熱量測定は1780年代のラヴォアジエとラプラスによる氷熱量計に始まり、ヘスは1840年に反応熱の加算性を確立し、ベルテローの19世紀の爆弾熱量測定は、燃焼および生成エンタルピーの系統的な測定を物理化学の基礎とした。

Key figures

• Germain Henri Hess
• Antoine Lavoisier
• Marcellin Berthelot

Seminal works

• atkins2018
• mcquarrie1997

Frequently asked questions

爆弾熱量計と定圧熱量計の違いは何ですか？

爆弾熱量計は反応を定容に保ち、内部エネルギーの変化を測定する一方、大気に開放された定圧熱量計はエンタルピーの変化を直接測定する。両者は、気体が膨張または収縮する際に圧力に対して行われる仕事によって関連付けられる。

なぜ生成エンタルピーは元素を基準として定義されるのですか？

絶対エンタルピーは測定できないため、基準が必要である。標準状態の元素にゼロの生成エンタルピーを割り当てることで、任意の化合物の生成エンタルピー、ひいては任意の反応エンタルピーを計算できる一貫した基準が提供される。