第5章熱化学

Standard Enthalpy of Combustion標準燃焼エンタルピー

Standard enthalpy of combustion

(Δ H_{C}^{°})

is the enthalpy change when 1 mole of a substance burns (combines vigorously with oxygen) under standard state conditions; it is sometimes called “heat of combustion.” For example, the enthalpy of combustion of ethanol, −1366.8 kJ/mol, is the amount of heat produced when one mole of ethanol undergoes complete combustion at 25 °C and 1 atmosphere pressure, yielding products also at 25 °C and 1 atm.

英語のヒント

標準燃焼エンタルピー

(Δ H_{C}^{°})

とは、標準状態の条件で物質1 molが燃焼する、すなわち酸素と激しく結びつくときのエンタルピー変化である。「燃焼熱」とも呼ぶ。たとえば、エタノールの燃焼エンタルピー−1366.8 kJ/molは、25 °C、1 atmでエタノール1 molが完全燃焼し、生成物も25 °C、1 atmとなるときの発生熱量を表す。

C_{2} H_{5} OH (l) + 3 O_{2} (g) ⟶ 2 {CO}_{2} (g + 3 H_{2} O (l) Δ H ° = −1366.8 kJ

Enthalpies of combustion for many substances have been measured; a few of these are listed in Table 5.2. Many readily available substances with large enthalpies of combustion are used as fuels, including hydrogen, carbon (as coal or charcoal), and hydrocarbons (compounds containing only hydrogen and carbon), such as methane, propane, and the major components of gasoline.

英語のヒント

多くの物質の燃焼エンタルピーが測定されており、その一部を表5.2に示す。大きな燃焼エンタルピーをもち、手に入りやすい物質は、燃料として使われる。水素、石炭や木炭の形の炭素、メタン、プロパン、ガソリンの主成分などの炭化水素がその例である。炭化水素は、水素と炭素だけを含む化合物である。

Table 5.2表 5.2
Standard Molar Enthalpies of Combustion 標準モル燃焼エンタルピー
Substance 物質	Combustion Reaction 燃焼反応	Enthalpy of Combustion, $Δ H_{c}^{°}$ $(\frac{kJ}{mol} at 25 °C)$ 燃焼エンタルピー $Δ H_{c}^{°}$ $(\frac{kJ}{mol} at 25 °C)$
carbon 炭素	$C (s) + O_{2} (g) ⟶ {CO}_{2} (g)$	−393.5
hydrogen 水素	$H_{2} (g) + \frac{1}{2} O_{2} (g) ⟶ H_{2} O (l)$	−285.8
magnesium マグネシウム	$Mg (s) + \frac{1}{2} O_{2} (g) ⟶ MgO (s)$	−601.6
sulfur 硫黄	$S (s) + O_{2} (g) ⟶ {SO}_{2} (g)$	−296.8
carbon monoxide 一酸化炭素	$CO (g) + \frac{1}{2} O_{2} (g) ⟶ {CO}_{2} (g)$	−283.0
methane メタン	${CH}_{4} (g) + 2 O_{2} (g) ⟶ {CO}_{2} (g) + 2 H_{2} O (l)$	−890.8
acetylene アセチレン	$C_{2} H_{2} (g) + \frac{5}{2} O_{2} (g) ⟶ 2 {CO}_{2} (g) + H_{2} O (l)$	−1301.1
ethanol エタノール	$C_{2} H_{5} OH (l) + 3 O_{2} (g) ⟶ {2CO}_{2} (g) + 3 H_{2} O (l)$	−1366.8
methanol メタノール	${CH}_{3} OH (l) + \frac{3}{2} O_{2} (g) ⟶ {CO}_{2} (g) + 2 H_{2} O (l)$	−726.1
isooctane イソオクタン	$C_{8} H_{18} (l) + \frac{25}{2} O_{2} (g) ⟶ 8 {CO}_{2} (g) + 9 H_{2} O (l)$	–5465.5

Example 5.10例題 5.10

Using Enthalpy of Combustion燃焼エンタルピーを使う

As Figure 5.21 suggests, the combustion of gasoline is a highly exothermic process. Let us determine the approximate amount of heat produced by burning 1.00 L of gasoline, assuming the enthalpy of combustion of gasoline is the same as that of isooctane, a common component of gasoline. The density of isooctane is 0.692 g/mL.

図5.21からわかるように、ガソリンの燃焼は非常に強い発熱を伴う過程である。ガソリンの燃焼エンタルピーを、その一般的な成分であるイソオクタンと同じと仮定して、ガソリン1.00 Lを燃やしたときの発生熱量を概算しよう。イソオクタンの密度は0.692 g/mLである。

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Figure 5.21図 5.21

The combustion of gasoline is very exothermic. (credit: modification of work by “AlexEagle”/Flickr)

ガソリンの燃焼は、非常に大きな発熱を伴う。（出典：「AlexEagle」／Flickrの作品を改変）

Solution解答

Starting with a known amount (1.00 L of isooctane), we can perform conversions between units until we arrive at the desired amount of heat or energy. The enthalpy of combustion of isooctane provides one of the necessary conversions. Table 5.2 gives this value as −5460 kJ per 1 mole of isooctane (C₈H₁₈).

既知の量であるイソオクタン1.00 Lから出発し、求めたい熱量・エネルギー量に達するまで単位を換算していく。イソオクタンの燃焼エンタルピーが、必要な換算関係の1つになる。表5.2によると、イソオクタンC₈H₁₈ 1 molあたりの値は−5460 kJである。

Using these data,

これらのデータを用いると、

1.00 L C_{8} H_{18} \times \frac{1000 mL C_{8} H_{18}}{1 L C_{8} H_{18}} \times \frac{0.692 g C_{8} H_{18}}{1 mL C_{8} H_{18}} \times \frac{1 mol C_{8} H_{18}}{114 g C_{8} H_{18}} \times \frac{- 5460 kJ}{1 mol C_{8} H_{18}} = −3.31 \times 10^{4} kJ

The combustion of 1.00 L of isooctane produces 33,100 kJ of heat. (This amount of energy is enough to melt 99.2 kg, or about 218 lbs, of ice.)

イソオクタン1.00 Lの燃焼では、33,100 kJの熱が発生する。これは99.2 kg、約218ポンドの氷を融かせるエネルギー量である。

Note: If you do this calculation one step at a time, you would find:

注：この計算を1段階ずつ行うと、次のようになる。

\begin{array}{l} 1.00 L C_{8} H_{18} ⟶ 1.00 \times 10^{3} mL C_{8} H_{18} \\ 1.00 \times 10^{3} mL C_{8} H_{18} ⟶ 692 g C_{8} H_{18} \\ 692 g C_{8} H_{18} ⟶ 6.07 mol C_{8} H_{18} \\ 6.07 mol C_{8} H_{18} ⟶ −3.31 \times 10^{4} kJ \end{array}

Check Your Learning理解を確かめよう

How much heat is produced by the combustion of 125 g of acetylene?

アセチレン125 gの燃焼による発生熱量はいくらか。

Emerging Algae-Based Energy Technologies (Biofuels)発展する藻類利用のエネルギー技術（バイオ燃料）

As reserves of fossil fuels diminish and become more costly to extract, the search is ongoing for replacement fuel sources for the future. Among the most promising biofuels are those derived from algae (Figure 5.22). The species of algae used are nontoxic, biodegradable, and among the world’s fastest growing organisms. About 50% of algal weight is oil, which can be readily converted into fuel such as biodiesel. Algae can yield 26,000 gallons of biofuel per hectare—much more energy per acre than other crops. Some strains of algae can flourish in brackish water that is not usable for growing other crops. Algae can produce biodiesel, biogasoline, ethanol, butanol, methane, and even jet fuel.

英語のヒント

化石燃料の埋蔵量が減り、採掘費用が増すにつれて、将来の代替燃料源を探す取り組みが続いている。特に有望なバイオ燃料の1つが、藻類に由来する燃料である（図5.22）。使われる藻類は無毒で生分解性があり、世界でも特に速く成長する生物に含まれる。藻類の重量の約50%は油で、バイオディーゼルなどの燃料へ容易に変えられる。藻類は1ヘクタールあたり26,000ガロンのバイオ燃料を生産でき、単位面積あたりではほかの作物よりはるかに多くのエネルギーを得られる。ほかの作物を育てられない汽水で、よく育つ系統もある。藻類からはバイオディーゼル、バイオガソリン、エタノール、ブタノール、メタン、さらにはジェット燃料も作れる。

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Figure 5.22図 5.22

(a) Tiny algal organisms can be (b) grown in large quantities and eventually (c) turned into a useful fuel such as biodiesel. (credit a: modification of work by Micah Sittig; credit b: modification of work by Robert Kerton; credit c: modification of work by John F. Williams)

(a) 小さな藻類を(b)大量に育て、最終的に(c)バイオディーゼルのような有用な燃料へ変えられる。（出典：aはMicah Sittig、bはRobert Kerton、cはJohn F. Williamsの作品を改変）

According to the US Department of Energy, only 39,000 square kilometers (about 0.4% of the land mass of the US or less than

\frac{1}{7}

of the area used to grow corn) can produce enough algal fuel to replace all the petroleum-based fuel used in the US. The cost of algal fuels is becoming more competitive—for instance, the US Air Force is producing jet fuel from algae at a total cost of under $5 per gallon. For more on algal fuel, see http://www.theguardian.com/environment/2010/feb/13/algae-solve-pentagon-fuel-problem. The process used to produce algal fuel is as follows: grow the algae (which use sunlight as their energy source and CO₂ as a raw material); harvest the algae; extract the fuel compounds (or precursor compounds); process as necessary (e.g., perform a transesterification reaction to make biodiesel); purify; and distribute (Figure 5.23).

英語のヒント

米国エネルギー省によると、わずか39,000 km²、米国の陸地面積の約0.4%、またはトウモロコシ栽培面積の

\frac{1}{7}

未満の土地で、米国の石油由来燃料をすべて置き換えるのに十分な藻類燃料を生産できる。費用面での競争力も高まっており、たとえば米空軍は、藻類からジェット燃料を1ガロンあたり総費用5ドル未満で製造している。藻類燃料については、http://www.theguardian.com/environment/2010/feb/13/algae-solve-pentagon-fuel-problemを参照。製造工程は次のとおりである。日光をエネルギー源、CO₂を原料として藻類を育てる。藻類を収穫する。燃料成分、またはその前駆体を抽出する。必要な処理を行う。たとえば、バイオディーゼルを作るためにエステル交換反応を行う。その後、精製して流通させる（図5.23）。

OpenStax, Rice University; Chemistry 2e. · CC BY 4.0 · Source出典

Figure 5.23図 5.23

Algae convert sunlight and carbon dioxide into oil that is harvested, extracted, purified, and transformed into a variety of renewable fuels.

藻類は日光と二酸化炭素を油へ変える。その油を採取、抽出、精製し、さまざまな再生可能燃料へ変える。