プリンキピア

第5章熱化学

Key Concepts and Summary重要な概念とまとめ

Calorimetry is used to measure the amount of thermal energy transferred in a chemical or physical process. This requires careful measurement of the temperature change that occurs during the process and the masses of the system and surroundings. These measured quantities are then used to compute the amount of heat produced or consumed in the process using known mathematical relations.
熱量測定は、化学的・物理的過程で移動する熱エネルギーの量を測るために用いる。そのためには、過程の間の温度変化と、系および外界の質量を注意深く測る必要がある。これらの測定値を既知の数学的関係に当てはめ、過程で発生・消費する熱量を計算する。
Calorimeters are designed to minimize energy exchange between their contents and the external environment. They range from simple coffee cup calorimeters used by introductory chemistry students to sophisticated bomb calorimeters used to determine the energy content of food.
英語のヒント
熱量計は、中身と外部環境とのエネルギー交換を最小限にするよう設計されている。入門化学の学生が使う単純なコーヒーカップ型から、食品のエネルギー量を求める精密なボンベ熱量計まで、さまざまなものがある。

Chemistry End of Chapter Exercises章末問題

Exercises 14–38練習問題 14–38
Exercise 14問題 14
A 500-mL bottle of water at room temperature and a 2-L bottle of water at the same temperature were placed in a refrigerator. After 30 minutes, the 500-mL bottle of water had cooled to the temperature of the refrigerator. An hour later, the 2-L of water had cooled to the same temperature. When asked which sample of water lost the most heat, one student replied that both bottles lost the same amount of heat because they started at the same temperature and finished at the same temperature. A second student thought that the 2-L bottle of water lost more heat because there was more water. A third student believed that the 500-mL bottle of water lost more heat because it cooled more quickly. A fourth student thought that it was not possible to tell because we do not know the initial temperature and the final temperature of the water. Indicate which of these answers is correct and describe the error in each of the other answers.
室温の水が入った500 mLのボトルと、同じ温度の水が入った2 Lのボトルを冷蔵庫に入れた。30分後、500 mLの水は冷蔵庫の温度まで冷えた。その1時間後、2 Lの水も同じ温度まで冷えた。どちらの水がより多くの熱を失ったかと尋ねると、1人目の学生は「初めと終わりの温度が同じだから、両方とも失った熱量は同じ」と答えた。2人目は「水が多いから、2 Lのほうが多くの熱を失った」と考えた。3人目は「速く冷えたから、500 mLのほうが多くの熱を失った」と考えた。4人目は「水の初めと終わりの温度がわからないから、判断できない」と考えた。どの答えが正しいかを示し、ほかの答えの誤りをそれぞれ説明しなさい。
Exercise 15問題 15
Would the amount of heat measured for the reaction in Example 5.5 be greater, lesser, or remain the same if we used a calorimeter that was a poorer insulator than a coffee cup calorimeter? Explain your answer.
例題5.5の反応で、コーヒーカップ型熱量計より断熱性の低い熱量計を使うと、測定される熱量は大きくなるか、小さくなるか、それとも変わらないか。理由も説明しなさい。
Solution解き方
lesser; more heat would be lost to the coffee cup and the environment and so ΔT for the water would be lesser and the calculated q would be lesser
小さくなる。カップや周囲へ逃げる熱が多くなり、水のΔTが小さくなるため、計算されるqも小さくなる。
Exercise 16問題 16
Would the amount of heat absorbed by the dissolution in Example 5.6 appear greater, lesser, or remain the same if the experimenter used a calorimeter that was a poorer insulator than a coffee cup calorimeter? Explain your answer.
例題5.6で、コーヒーカップ型熱量計より断熱性の低い熱量計を使うと、溶解の吸収熱量は大きく見積もられるか、小さく見積もられるか、それとも変わらないか。理由も説明しなさい。
Exercise 17問題 17
Would the amount of heat absorbed by the dissolution in Example 5.6 appear greater, lesser, or remain the same if the heat capacity of the calorimeter were taken into account? Explain your answer.
例題5.6で熱量計の熱容量を考慮すると、溶解の吸収熱量は大きく見積もられるか、小さく見積もられるか、それとも変わらないか。理由も説明しなさい。
Solution解き方
greater, since taking the calorimeter’s heat capacity into account will compensate for the thermal energy transferred to the solution from the calorimeter; this approach includes the calorimeter itself, along with the solution, as “surroundings”: qrxn = −(qsolution + qcalorimeter); since both qsolution and qcalorimeter are negative, including the latter term (qrxn) will yield a greater value for the heat of the dissolution
大きくなる。熱量計の熱容量を考慮すると、熱量計から溶液へ移動した熱エネルギーを計算に含められるからである。この方法では、溶液とともに熱量計自身も「外界」に含める。qrxn = −(qsolution + qcalorimeter)。qsolutionとqcalorimeterはいずれも負なので、後者の項qrxnを含めると、溶解熱の値は大きくなる。
Exercise 18問題 18
How many milliliters of water at 23 °C with a density of 1.00 g/mL must be mixed with 180 mL (about 6 oz) of coffee at 95 °C so that the resulting combination will have a temperature of 60 °C? Assume that coffee and water have the same density and the same specific heat.
95 °Cのコーヒー180 mL(約6オンス)に、23 °C、密度1.00 g/mLの水を何mL混ぜると、混合後の温度が60 °Cになるか。コーヒーと水の密度、比熱は同じとする。
Exercise 19問題 19
How much will the temperature of a cup (180 g) of coffee at 95 °C be reduced when a 45 g silver spoon (specific heat 0.24 J/g °C) at 25 °C is placed in the coffee and the two are allowed to reach the same temperature? Assume that the coffee has the same density and specific heat as water.
95 °Cのコーヒー1杯(180 g)に、25 °Cの銀のスプーン45 g(比熱0.24 J/g °C)を入れ、両者が同じ温度になるまで待つと、コーヒーの温度はどれだけ下がるか。コーヒーの密度と比熱は水と同じとする。
Solution解き方
The temperature of the coffee will drop 1 degree.
コーヒーの温度は1度下がる。
Exercise 20問題 20
A 45-g aluminum spoon (specific heat 0.88 J/g °C) at 24 °C is placed in 180 mL (180 g) of coffee at 85 °C and the temperature of the two become equal.
24 °Cのアルミニウム製スプーン45 g(比熱0.88 J/g °C)を、85 °Cのコーヒー180 mL(180 g)に入れ、両者が同じ温度になった。
(a) What is the final temperature when the two become equal? Assume that coffee has the same specific heat as water.
(a) 両者が等しくなったときの最終温度はいくらか。コーヒーの比熱は水と同じとする。
(b) The first time a student solved this problem she got an answer of 88 °C. Explain why this is clearly an incorrect answer.
(b) ある学生が初めてこの問題を解いたとき、88 °Cという答えを得た。これが明らかに誤りである理由を説明しなさい。
Exercise 21問題 21
The temperature of the cooling water as it leaves the hot engine of an automobile is 240 °F. After it passes through the radiator it has a temperature of 175 °F. Calculate the amount of heat transferred from the engine to the surroundings by one gallon of water with a specific heat of 4.184 J/g °C.
自動車の高温のエンジンを出る冷却水の温度は240 °Fで、ラジエーターを通った後は175 °Fだった。比熱4.184 J/g °Cの水1ガロンによって、エンジンから外界へ移される熱量を求めなさい。
Solution解き方
5.7 × 102 kJ
5.7 × 102 kJ
Exercise 22問題 22
A 70.0-g piece of metal at 80.0 °C is placed in 100 g of water at 22.0 °C contained in a calorimeter like that shown in Figure 5.12. The metal and water come to the same temperature at 24.6 °C. How much heat did the metal give up to the water? What is the specific heat of the metal?
図5.12のような熱量計に、22.0 °Cの水100 gが入っている。ここに80.0 °Cの金属片70.0 gを入れると、金属と水の温度はともに24.6 °Cになった。金属が水へ渡した熱量はいくらか。金属の比熱はいくらか。
Exercise 23問題 23
If a reaction produces 1.506 kJ of heat, which is trapped in 30.0 g of water initially at 26.5 °C in a calorimeter like that in Figure 5.12, what is the resulting temperature of the water?
図5.12のような熱量計で、反応が発生する1.506 kJの熱を、初め26.5 °Cの水30.0 gが受け取った。水の最終温度はいくらか。
Solution解き方
38.5 °C
38.5 °C
Exercise 24問題 24
A 0.500-g sample of KCl is added to 50.0 g of water in a calorimeter (Figure 5.12). If the temperature decreases by 1.05 °C, what is the approximate amount of heat involved in the dissolution of the KCl, assuming the specific heat of the resulting solution is 4.18 J/g °C? Is the reaction exothermic or endothermic?
熱量計(図5.12)内の水50.0 gに、KClを0.500 g加えた。温度が1.05 °C下がった場合、KClの溶解に伴う熱量はおよそいくらか。生成した溶液の比熱を4.18 J/g °Cとする。この反応は発熱反応か、吸熱反応か。
Exercise 25問題 25
Dissolving 3.0 g of CaCl2(s) in 150.0 g of water in a calorimeter (Figure 5.12) at 22.4 °C causes the temperature to rise to 25.8 °C. What is the approximate amount of heat involved in the dissolution, assuming the specific heat of the resulting solution is 4.18 J/g °C? Is the reaction exothermic or endothermic?
熱量計(図5.12)内の22.4 °Cの水150.0 gにCaCl2(s)を3.0 g溶かすと、温度が25.8 °Cに上がった。溶解に伴う熱量はおよそいくらか。生成した溶液の比熱を4.18 J/g °Cとする。この反応は発熱反応か、吸熱反応か。
Solution解き方
−2.2 kJ; The heat produced shows that the reaction is exothermic.
−2.2 kJ。熱が発生するので、発熱反応である。
Exercise 26問題 26
When 50.0 g of 0.200 M NaCl(aq) at 24.1 °C is added to 100.0 g of 0.100 M AgNO3(aq) at 24.1 °C in a calorimeter, the temperature increases to 25.2 °C as AgCl(s) forms. Assuming the specific heat of the solution and products is 4.20 J/g °C, calculate the approximate amount of heat in joules produced.
熱量計内で、24.1 °Cの0.100 M AgNO3(aq) 100.0 gに、24.1 °Cの0.200 M NaCl(aq) 50.0 gを加えると、AgCl(s)が生じて温度が25.2 °Cに上がった。溶液と生成物の比熱を4.20 J/g °Cとして、発生熱量をジュール単位で概算しなさい。
Exercise 27問題 27
The addition of 3.15 g of Ba(OH)2·8H2O to a solution of 1.52 g of NH4SCN in 100 g of water in a calorimeter caused the temperature to fall by 3.1 °C. Assuming the specific heat of the solution and products is 4.20 J/g °C, calculate the approximate amount of heat absorbed by the reaction, which can be represented by the following equation:
熱量計内で、水100 gにNH4SCNを1.52 g溶かした溶液に、Ba(OH)2·8H2Oを3.15 g加えると、温度が3.1 °C下がった。溶液と生成物の比熱を4.20 J/g °Cとして、次の式で表される反応の吸収熱量を概算しなさい。
Ba(OH)2·8H2O(s) + 2NH4SCN(aq) ⟶ Ba(SCN)2(aq) + 2NH3(aq) + 10H2O(l)
Ba(OH)2·8H2O(s) + 2NH4SCN(aq) ⟶ Ba(SCN)2(aq) + 2NH3(aq) + 10H2O(l)
Solution解き方
1.4 kJ
1.4 kJ
Exercise 28問題 28
The reaction of 50 mL of acid and 50 mL of base described in Example 5.5 increased the temperature of the solution by 6.9 ºC. How much would the temperature have increased if 100 mL of acid and 100 mL of base had been used in the same calorimeter starting at the same temperature of 22.0 ºC? Explain your answer.
例題5.5では、酸50 mLと塩基50 mLの反応で、溶液の温度が6.9 °C上がった。同じ熱量計で、初期温度を同じ22.0 °Cとし、酸100 mLと塩基100 mLを使った場合、温度はどれだけ上がるか。理由も説明しなさい。
Exercise 29問題 29
If the 3.21 g of NH4NO3 in Example 5.6 were dissolved in 100.0 g of water under the same conditions, how much would the temperature change? Explain your answer.
例題5.6のNH4NO3 3.21 gを、同じ条件で水100.0 gに溶かした場合、温度はどれだけ変化するか。理由も説明しなさい。
Solution解き方
22.6. Since the mass and the heat capacity of the solution is approximately equal to that of the water, the two-fold increase in the amount of water leads to a two-fold decrease of the temperature change.
22.6。溶液の質量と熱容量は水の値とほぼ等しいので、水の量が2倍になると、温度変化は半分になる。
Exercise 30問題 30
When 1.0 g of fructose, C6H12O6(s), a sugar commonly found in fruits, is burned in oxygen in a bomb calorimeter, the temperature of the calorimeter increases by 1.58 °C. If the heat capacity of the calorimeter and its contents is 9.90 kJ/°C, what is q for this combustion?
果物によく含まれる糖であるフルクトースC6H12O6(s)を1.0 g、ボンベ熱量計内で酸素中で燃やすと、熱量計の温度が1.58 °C上がった。熱量計とその内容物の熱容量が9.90 kJ/°Cである場合、この燃焼のqはいくらか。
Exercise 31問題 31
When a 0.740-g sample of trinitrotoluene (TNT), C7H5N2O6, is burned in a bomb calorimeter, the temperature increases from 23.4 °C to 26.9 °C. The heat capacity of the calorimeter is 534 J/°C, and it contains 675 mL of water. How much heat was produced by the combustion of the TNT sample?
ボンベ熱量計でトリニトロトルエン(TNT)C7H5N2O6を0.740 g燃やすと、温度が23.4 °Cから26.9 °Cに上がった。熱量計の熱容量は534 J/°Cで、水675 mLが入っている。このTNT試料の燃焼による発生熱量はいくらか。
Solution解き方
11.7 kJ
11.7 kJ
Exercise 32問題 32
One method of generating electricity is by burning coal to heat water, which produces steam that drives an electric generator. To determine the rate at which coal is to be fed into the burner in this type of plant, the heat of combustion per ton of coal must be determined using a bomb calorimeter. When 1.00 g of coal is burned in a bomb calorimeter (Figure 5.17), the temperature increases by 1.48 °C. If the heat capacity of the calorimeter is 21.6 kJ/°C, determine the heat produced by combustion of a ton of coal (2.000 × 103 pounds).
英語のヒント
発電方法の1つに、石炭を燃やして水を加熱し、生じた蒸気で発電機を動かす方法がある。この種の発電所でバーナーへ供給する石炭の速度を決めるには、ボンベ熱量計を使って石炭1トンあたりの燃焼熱を求める必要がある。ボンベ熱量計(図5.17)で石炭1.00 gを燃やすと、温度が1.48 °C上がった。熱量計の熱容量が21.6 kJ/°Cの場合、石炭1トン(2.000 × 103ポンド)の燃焼による発生熱量を求めなさい。
Exercise 33問題 33
The amount of fat recommended for someone with a daily diet of 2000 Calories is 65 g. What percent of the calories in this diet would be supplied by this amount of fat if the average number of Calories for fat is
9.1 Calories/g?
1日2000 Caloriesの食事をとる人に推奨される脂肪の量は65 gである。脂肪の平均エネルギー量を9.1 Calories/gとすると、この量の脂肪は1日のエネルギーの何%を供給するか。
Solution解き方
30%
30%
Exercise 34問題 34
A teaspoon of the carbohydrate sucrose (common sugar) contains 16 Calories (16 kcal). What is the mass of one teaspoon of sucrose if the average number of Calories for carbohydrates is 4.1 Calories/g?
炭水化物のスクロース(ふつうの砂糖)は、小さじ1杯に16 Calories(16 kcal)を含む。炭水化物の平均エネルギー量を4.1 Calories/gとすると、小さじ1杯のスクロースの質量はいくらか。
Exercise 35問題 35
What is the maximum mass of carbohydrate in a 6-oz serving of diet soda that contains less than 1 Calorie per can if the average number of Calories for carbohydrates is 4.1 Calories/g?
1缶のエネルギーが1 Calorie未満のダイエット炭酸飲料について、6オンスの1食分に含まれる炭水化物の最大質量はいくらか。炭水化物の平均エネルギー量を4.1 Calories/gとする。
Solution解き方
0.24 g
0.24 g
Exercise 36問題 36
A pint of premium ice cream can contain 1100 Calories. What mass of fat, in grams and pounds, must be produced in the body to store an extra 1.1 × 103 Calories if the average number of Calories for fat is
9.1 Calories/g?
高級アイスクリーム1パイントには、1100 Caloriesが含まれることがある。余分な1.1 × 103 Caloriesを蓄えるには、体内で何g、何ポンドの脂肪を作る必要があるか。脂肪の平均エネルギー量を9.1 Calories/gとする。
Exercise 37問題 37
A serving of a breakfast cereal contains 3 g of protein, 18 g of carbohydrates, and 6 g of fat. What is the Calorie content of a serving of this cereal if the average number of Calories for fat is 9.1 Calories/g, for carbohydrates is 4.1 Calories/g, and for protein is 4.1 Calories/g?
ある朝食用シリアル1食分には、タンパク質3 g、炭水化物18 g、脂肪6 gが含まれる。平均エネルギー量を、脂肪9.1 Calories/g、炭水化物4.1 Calories/g、タンパク質4.1 Calories/gとすると、このシリアル1食分のエネルギー量はいくらか。
Solution解き方
1.4 × 102 Calories
1.4 × 102 Calories
Exercise 38問題 38
Which is the least expensive source of energy in kilojoules per dollar: a box of breakfast cereal that weighs 32 ounces and costs $4.23, or a liter of isooctane (density, 0.6919 g/mL) that costs $0.45? Compare the nutritional value of the cereal with the heat produced by combustion of the isooctane under standard conditions. A 1.0-ounce serving of the cereal provides 130 Calories.
32オンスで4.23ドルの朝食用シリアル1箱と、1 Lで0.45ドルのイソオクタン(密度0.6919 g/mL)では、1ドルあたりのキロジュールで比べてどちらが安いエネルギー源か。シリアルの栄養学上のエネルギー量と、標準条件でのイソオクタンの燃焼熱を比較しなさい。シリアル1.0オンスは130 Caloriesを供給する。
bomb calorimeter
ボンベ熱量計
device designed to measure the energy change for processes occurring under conditions of constant volume; commonly used for reactions involving solid and gaseous reactants or products
体積が一定の条件で起きる過程のエネルギー変化を測る装置。固体や気体の反応物・生成物を含む反応によく使われる。
calorimeter
熱量計
device used to measure the amount of heat absorbed or released in a chemical or physical process
化学的または物理的な過程で吸収・放出される熱量を測る装置。
calorimetry
熱量測定
process of measuring the amount of heat involved in a chemical or physical process
化学的または物理的な過程に関わる熱量を測定すること。
nutritional calorie (Calorie)
栄養学のカロリー(Calorie)
unit used for quantifying energy provided by digestion of foods, defined as 1000 cal or 1 kcal
食品の消化によって供給されるエネルギーを量で表すための単位。1000 cal、すなわち1 kcalと定義される。
surroundings
外界
all matter other than the system being studied
調べている系以外の、すべての物質。
system
系
portion of matter undergoing a chemical or physical change being studied
研究対象とする化学変化または物理変化を起こす、物質の一部分。