第5章熱化学

Key Concepts and Summary重要な概念とまとめ

If a chemical change is carried out at constant pressure and the only work done is caused by expansion or contraction, q for the change is called the enthalpy change with the symbol ΔH, or

Δ H °

for reactions occurring under standard state conditions at 298 K. The value of ΔH for a reaction in one direction is equal in magnitude, but opposite in sign, to ΔH for the reaction in the opposite direction, and ΔH is directly proportional to the quantity of reactants and products. The standard enthalpy of formation,

Δ H_{f}^{°},

is the enthalpy change accompanying the formation of 1 mole of a substance from the elements in their most stable states at 1 bar and 298.15 K. If the enthalpies of formation are available for the reactants and products of a reaction, the enthalpy change can be calculated using Hess’s law: If a process can be written as the sum of several stepwise processes, the enthalpy change of the total process equals the sum of the enthalpy changes of the various steps.

化学変化が圧力一定で進み、仕事が膨張・収縮によるものだけである場合、その変化のqをエンタルピー変化と呼び、ΔHで表す。298 K、標準状態の条件で起こる反応には

Δ H °

を使う。一方向の反応と逆方向の反応のΔHは、大きさが等しく符号が逆である。また、ΔHは反応物と生成物の量に正比例する。標準生成エンタルピー

Δ H_{f}^{°},

は、1 bar、298.15 Kで、最も安定な状態の単体から物質1 molが生成するときのエンタルピー変化である。反応物と生成物の生成エンタルピーがわかれば、ヘスの法則を使って反応のエンタルピー変化を計算できる。ある過程をいくつかの段階的な過程の和として書けるなら、全過程のエンタルピー変化は各段階のエンタルピー変化の和に等しい。

Key Equations重要な式

Δ U = q + w

Δ H_{reaction}^{°} = \sum n \times Δ H_{f}^{°} (products) - \sum n \times Δ H_{f}^{°} (reactants)

Δ H_{反応}^{°} = \sum n \times Δ H_{f}^{°} （生成物） - \sum n \times Δ H_{f}^{°} (反応物)

Chemistry End of Chapter Exercises章末問題

Exercises 39–86練習問題 39–86

Exercise 39問題 39

Explain how the heat measured in Example 5.5 differs from the enthalpy change for the exothermic reaction described by the following equation:

HCl (a q) + NaOH (a q) ⟶ NaCl (a q) + H_{2} O (l)

例題5.5で測定した熱は、次の式で表される発熱反応のエンタルピー変化と、どのように違うか説明しなさい。

HCl (a q) + NaOH (a q) ⟶ NaCl (a q) + H_{2} O (l)

Solution解き方

The enthalpy change of the indicated reaction is for exactly 1 mol HCL and 1 mol NaOH; the heat in the example is produced by 0.0500 mol HCl and 0.0500 mol NaOH.

示された反応のエンタルピー変化は、HCL 1 molとNaOH 1 molに対する値である。例題の熱は、HCl 0.0500 molとNaOH 0.0500 molから生じたものである。

Exercise 40問題 40

Using the data in the check your learning section of Example 5.5, calculate ΔH in kJ/mol of AgNO₃(aq) for the reaction:

NaCl (a q) + {AgNO}_{3} (a q) ⟶ AgCl (s) + {NaNO}_{3} (a q)

例題5.5の理解度確認のデータを使い、次の反応のΔHをAgNO₃(aq) 1 molあたりのkJで求めなさい。

NaCl (a q) + {AgNO}_{3} (a q) ⟶ AgCl (s) + {NaNO}_{3} (a q)

Exercise 41問題 41

Calculate the enthalpy of solution (ΔH for the dissolution) per mole of NH₄NO₃ under the conditions described in Example 5.6.

例題5.6の条件で、NH₄NO₃ 1 molあたりの溶解エンタルピー（溶解のΔH）を求めなさい。

Solution解き方

25 kJ mol⁻¹

Exercise 42問題 42

Calculate ΔH for the reaction described by the equation. (Hint: Use the value for the approximate amount of heat absorbed by the reaction that you calculated in a previous exercise.)

Ba {(OH)}_{2} · 8 H_{2} O (s) + 2 {NH}_{4} SCN (a q) ⟶ Ba {(SCN)}_{2} (a q) + 2 {NH}_{3} (a q) + 10 H_{2} O (l)

次の式で表される反応のΔHを求めなさい。ヒント：前の演習で求めた、反応の吸収熱量の概算値を使うこと。

Ba {(OH)}_{2} · 8 H_{2} O (s) + 2 {NH}_{4} SCN (a q) ⟶ Ba {(SCN)}_{2} (a q) + 2 {NH}_{3} (a q) + 10 H_{2} O (l)

Exercise 43問題 43

Calculate the enthalpy of solution (ΔH for the dissolution) per mole of CaCl₂ (refer to Exercise 25).

CaCl₂ 1 molあたりの溶解エンタルピー（溶解のΔH）を求めなさい。演習25を参照すること。

Solution解き方

81 kJ mol⁻¹

Exercise 44問題 44

Although the gas used in an oxyacetylene torch (Figure 5.7) is essentially pure acetylene, the heat produced by combustion of one mole of acetylene in such a torch is likely not equal to the enthalpy of combustion of acetylene listed in Table 5.2. Considering the conditions for which the tabulated data are reported, suggest an explanation.

酸素アセチレントーチ（図5.7）に使うガスはほぼ純粋なアセチレンだが、トーチ内でアセチレン1 molが燃焼するときの発生熱は、表5.2の燃焼エンタルピーに等しいとは限らない。表の値がどの条件で示されているかを考え、その理由を述べなさい。

Exercise 45問題 45

How much heat is produced by burning 4.00 moles of acetylene under standard state conditions?

標準状態の条件でアセチレン4.00 molを燃やすと、どれだけの熱が発生するか。

Solution解き方

5204.4 kJ

Exercise 46問題 46

How much heat is produced by combustion of 125 g of methanol under standard state conditions?

標準状態の条件でメタノール125 gを燃焼させると、どれだけの熱が発生するか。

Exercise 47問題 47

How many moles of isooctane must be burned to produce 100 kJ of heat under standard state conditions?

標準状態の条件で100 kJの熱を発生させるには、イソオクタンを何mol燃やす必要があるか。

Solution解き方

1.83

\times

10⁻² mol

1.83

\times

10⁻² mol

Exercise 48問題 48

What mass of carbon monoxide must be burned to produce 175 kJ of heat under standard state conditions?

標準状態の条件で175 kJの熱を発生させるには、一酸化炭素をどれだけの質量燃やす必要があるか。

Exercise 49問題 49

When 2.50 g of methane burns in oxygen, 125 kJ of heat is produced. What is the enthalpy of combustion per mole of methane under these conditions?

酸素中でメタン2.50 gが燃えると、125 kJの熱が発生する。この条件でのメタン1 molあたりの燃焼エンタルピーはいくらか。

Solution解き方

–802 kJ mol⁻¹

Exercise 50問題 50

How much heat is produced when 100 mL of 0.250 M HCl (density, 1.00 g/mL) and 200 mL of 0.150 M NaOH (density, 1.00 g/mL) are mixed?

HCl (a q) + NaOH (a q) ⟶ NaCl (a q) + H_{2} O (l) Δ H ° = −58 kJ

0.250 M HCl 100 mL（密度1.00 g/mL）と0.150 M NaOH 200 mL（密度1.00 g/mL）を混ぜると、どれだけの熱が発生するか。

HCl (a q) + NaOH (a q) ⟶ NaCl (a q) + H_{2} O (l) Δ H ° = −58 kJ

If both solutions are at the same temperature and the specific heat of the products is 4.19 J/g °C, how much will the temperature increase? What assumption did you make in your calculation?

両溶液の初期温度が同じで、生成物の比熱が4.19 J/g °Cなら、温度はどれだけ上がるか。計算ではどのような仮定を置いたか。

Exercise 51問題 51

A sample of 0.562 g of carbon is burned in oxygen in a bomb calorimeter, producing carbon dioxide. Assume both the reactants and products are under standard state conditions, and that the heat released is directly proportional to the enthalpy of combustion of graphite. The temperature of the calorimeter increases from 26.74 °C to 27.93 °C. What is the heat capacity of the calorimeter and its contents?

ボンベ熱量計内で、炭素0.562 gを酸素中で燃やすと二酸化炭素が生じる。反応物と生成物は標準状態の条件にあり、放出熱量は黒鉛の燃焼エンタルピーに正比例すると仮定する。熱量計の温度は26.74 °Cから27.93 °Cに上がった。熱量計と内容物の熱容量はいくらか。

Solution解き方

15.5 kJ/ºC

Exercise 52問題 52

Before the introduction of chlorofluorocarbons, sulfur dioxide (enthalpy of vaporization, 6.00 kcal/mol) was used in household refrigerators. What mass of SO₂ must be evaporated to remove as much heat as evaporation of 1.00 kg of CCl₂F₂ (enthalpy of vaporization is 17.4 kJ/mol)?

クロロフルオロカーボンが導入される以前、家庭用冷蔵庫には二酸化硫黄（蒸発エンタルピー6.00 kcal/mol）が使われていた。CCl₂F₂（蒸発エンタルピー17.4 kJ/mol）1.00 kgの蒸発と同じ熱量を奪うには、SO₂をどれだけの質量蒸発させる必要があるか。

The vaporization reactions for SO₂ and CCl₂F₂ are

{SO}_{2} (l) ⟶ {SO}_{2} (g)

and

{CCl}_{2} F_{2} (l) ⟶ {CCl}_{2} F_{2} (g),

respectively.

SO₂とCCl₂F₂の蒸発を表す反応は、それぞれ

{SO}_{2} (l) ⟶ {SO}_{2} (g)

と

{CCl}_{2} F_{2} (l) ⟶ {CCl}_{2} F_{2} (g),

である。

Exercise 53問題 53

Homes may be heated by pumping hot water through radiators. What mass of water will provide the same amount of heat when cooled from 95.0 to 35.0 °C, as the heat provided when 100 g of steam is cooled from 110 °C to 100 °C?

熱い水を放熱器へ送って、住宅を暖房することがある。100 gの水蒸気が110 °Cから100 °Cに冷えるときと同じ熱量を、水が95.0 °Cから35.0 °Cに冷えることで供給するには、水の質量はいくら必要か。

Solution解き方

7.43 g

Exercise 54問題 54

Which of the enthalpies of combustion in Table 5.2 the table are also standard enthalpies of formation?

表5.2の燃焼エンタルピーのうち、標準生成エンタルピーでもあるのはどれか。

Exercise 55問題 55

Does the standard enthalpy of formation of H₂O(g) differ from ΔH° for the reaction

{2H}_{2} (g) + O_{2} (g) ⟶ 2 H_{2} O (g) ?

H₂O(g)の標準生成エンタルピーは、次の反応のΔH°と異なるか。

{2H}_{2} (g) + O_{2} (g) ⟶ 2 H_{2} O (g) ?

Solution解き方

Yes.

異なる。

Exercise 56問題 56

Joseph Priestly prepared oxygen in 1774 by heating red mercury(II) oxide with sunlight focused through a lens. How much heat is required to decompose exactly 1 mole of red HgO(s) to Hg(l) and O₂(g) under standard conditions?

ジョゼフ・プリーストリーは1774年、レンズで集めた日光で赤色の酸化水銀(II)を加熱し、酸素を作った。標準条件で赤色HgO(s)をちょうど1 mol、Hg(l)とO₂(g)へ分解するには、どれだけの熱が必要か。

Exercise 57問題 57

How many kilojoules of heat will be released when exactly 1 mole of manganese, Mn, is burned to form Mn₃O₄(s) at standard state conditions?

標準状態の条件で、マンガンMnをちょうど1 mol燃やしてMn₃O₄(s)を作ると、何kJの熱が放出されるか。

Solution解き方

459.6 kJ

Exercise 58問題 58

How many kilojoules of heat will be released when exactly 1 mole of iron, Fe, is burned to form Fe₂O₃(s) at standard state conditions?

標準状態の条件で、鉄Feをちょうど1 mol燃やしてFe₂O₃(s)を作ると、何kJの熱が放出されるか。

Exercise 59問題 59

The following sequence of reactions occurs in the commercial production of aqueous nitric acid:

4 {NH}_{3} (g) + 5 O_{2} (g) ⟶ 4 NO (g) + 6 H_{2} O (l) Δ H = −907 kJ

2 NO (g) + O_{2} (g) ⟶ 2 {NO}_{2} (g) Δ H = −113 kJ

3 {NO}_{2} + H_{2} O (l) ⟶ 2 {HNO}_{3} (a q) + NO (g) Δ H = −139 kJ

硝酸水溶液の工業的製造では、次の一連の反応が起こる。

4 {NH}_{3} (g) + 5 O_{2} (g) ⟶ 4 NO (g) + 6 H_{2} O (l) Δ H = −907 kJ

2 NO (g) + O_{2} (g) ⟶ 2 {NO}_{2} (g) Δ H = −113 kJ

3 {NO}_{2} + H_{2} O (l) ⟶ 2 {HNO}_{3} (a q) + NO (g) Δ H = −139 kJ

Determine the total enthalpy change for the production of one mole of aqueous nitric acid by this process. Coproducts of the net reaction include water and nitrogen monoxide.

この過程で、水溶液中の硝酸1 molを作るときの全エンタルピー変化を求めなさい。正味の反応でともに生じる生成物には、水と一酸化窒素がある。

Solution解き方

−494 kJ/mol

Exercise 60問題 60

Both graphite and diamond burn.

C (s, diamond) + O_{2} (g) ⟶ {CO}_{2} (g)

黒鉛もダイヤモンドも燃焼する。

C (s, ダイヤモンド) + O_{2} (g) ⟶ {CO}_{2} (g)

For the conversion of graphite to diamond:

C (s, graphite) ⟶ C (s, diamond) Δ H ° = 1.90 kJ

黒鉛からダイヤモンドへの変化について、

C (s, 黒鉛) ⟶ C (s, ダイヤモンド) Δ H ° = 1.90 kJ

Which produces more heat, the combustion of graphite or the combustion of diamond?

黒鉛の燃焼とダイヤモンドの燃焼では、どちらが多くの熱を発生するか。

Exercise 61問題 61

From the molar heats of formation in Appendix G, determine how much heat is required to evaporate one mole of water:

H_{2} O (l) ⟶ H_{2} O (g)

付録Gのモル生成熱から、水1 molを蒸発させるのに必要な熱量を求めなさい。

H_{2} O (l) ⟶ H_{2} O (g)

Solution解き方

44.01 kJ/mol

Exercise 62問題 62

Which produces more heat?

Os (s) + 2 O_{2} (g) ⟶ {OsO}_{4} (s)

Os (s) + 2 O_{2} (g) ⟶ {OsO}_{4} (g)

どちらが多くの熱を発生するか。

Os (s) + 2 O_{2} (g) ⟶ {OsO}_{4} (s)

または

Os (s) + 2 O_{2} (g) ⟶ {OsO}_{4} (g)

for the phase change

{OsO}_{4} (s) ⟶ {OsO}_{4} (g) Δ H = 56.4 kJ

相変化

{OsO}_{4} (s) ⟶ {OsO}_{4} (g) Δ H = 56.4 kJ

について。

Exercise 63問題 63

Calculate

Δ H °

for the process

Sb (s) + \frac{5}{2} {Cl}_{2} (g) ⟶ {SbCl}_{5} (s)

過程

Sb (s) + \frac{5}{2} {Cl}_{2} (g) ⟶ {SbCl}_{5} (s)

の

Δ H °

を求めなさい。

from the following information:

\begin{array}{l} Sb (s) + \frac{3}{2} {Cl}_{2} (g) ⟶ {SbCl}_{3} (s) Δ H ° = −314 kJ \\ {SbCl}_{3} (s) + {Cl}_{2} (g) ⟶ {SbCl}_{5} (s) Δ H ° = −80 kJ \end{array}

次の情報を用いること。

\begin{array}{l} Sb (s) + \frac{3}{2} {Cl}_{2} (g) ⟶ {SbCl}_{3} (s) Δ H ° = −314 kJ \\ {SbCl}_{3} (s) + {Cl}_{2} (g) ⟶ {SbCl}_{5} (s) Δ H ° = −80 kJ \end{array}

Solution解き方

−394 kJ

Exercise 64問題 64

Calculate

Δ H °

for the process

Zn (s) + S (s) + 2 O_{2} (g) ⟶ {ZnSO}_{4} (s)

過程

Zn (s) + S (s) + 2 O_{2} (g) ⟶ {ZnSO}_{4} (s)

の

Δ H °

を求めなさい。

from the following information:

\begin{array}{l} Zn (s) + S (s) ⟶ ZnS (s) Δ H ° = −206.0 kJ \\ ZnS (s) + {2O}_{2} (g) ⟶ {ZnSO}_{4} (s) Δ H ° = −776.8 kJ \end{array}

次の情報を用いること。

\begin{array}{l} Zn (s) + S (s) ⟶ ZnS (s) Δ H ° = −206.0 kJ \\ ZnS (s) + {2O}_{2} (g) ⟶ {ZnSO}_{4} (s) Δ H ° = −776.8 kJ \end{array}

Exercise 65問題 65

Calculate ΔH for the process

{Hg}_{2} {Cl}_{2} (s) ⟶ 2 Hg (l) + {Cl}_{2} (g)

過程

{Hg}_{2} {Cl}_{2} (s) ⟶ 2 Hg (l) + {Cl}_{2} (g)

のΔHを求めなさい。

from the following information:

\begin{array}{l} Hg (l) + {Cl}_{2} (g) ⟶ {HgCl}_{2} (s) Δ H = −224 kJ \\ Hg (l) + {HgCl}_{2} (s) ⟶ {Hg}_{2} {Cl}_{2} (s) Δ H = −41.2 kJ \end{array}

次の情報を用いること。

\begin{array}{l} Hg (l) + {Cl}_{2} (g) ⟶ {HgCl}_{2} (s) Δ H = −224 kJ \\ Hg (l) + {HgCl}_{2} (s) ⟶ {Hg}_{2} {Cl}_{2} (s) Δ H = −41.2 kJ \end{array}

Solution解き方

265 kJ

Exercise 66問題 66

Calculate

Δ H °

for the process

{Co}_{3} O_{4} (s) ⟶ 3 Co (s) + 2 O_{2} (g)

過程

{Co}_{3} O_{4} (s) ⟶ 3 Co (s) + 2 O_{2} (g)

の

Δ H °

を求めなさい。

from the following information:

\begin{array}{l} Co (s) + \frac{1}{2} O_{2} (g) ⟶ CoO (s) Δ H ° = −237.9 kJ \\ 3CoO (s) + \frac{1}{2} O_{2} (g) ⟶ {Co}_{3} O_{4} (s) Δ H ° = −177.5 kJ \end{array}

次の情報を用いること。

\begin{array}{l} Co (s) + \frac{1}{2} O_{2} (g) ⟶ CoO (s) Δ H ° = −237.9 kJ \\ 3CoO (s) + \frac{1}{2} O_{2} (g) ⟶ {Co}_{3} O_{4} (s) Δ H ° = −177.5 kJ \end{array}

Exercise 67問題 67

Calculate the standard molar enthalpy of formation of NO(g) from the following data:

\begin{array}{l} N_{2} (g) + 2 O_{2} (g) ⟶ 2 {NO}_{2} (g) Δ H ° = 66.4 kJ \\ 2NO (g) + O_{2} (g) ⟶ 2 {NO}_{2} (g) Δ H ° = −114.1 kJ \end{array}

次のデータから、NO(g)の標準モル生成エンタルピーを求めなさい。

\begin{array}{l} N_{2} (g) + 2 O_{2} (g) ⟶ 2 {NO}_{2} (g) Δ H ° = 66.4 kJ \\ 2NO (g) + O_{2} (g) ⟶ 2 {NO}_{2} (g) Δ H ° = −114.1 kJ \end{array}

Solution解き方

90.3 kJ/mol

Exercise 68問題 68

Using the data in Appendix G, calculate the standard enthalpy change for each of the following reactions:

付録Gのデータを用い、次の各反応の標準エンタルピー変化を求めなさい。

(a)

N_{2} (g) + O_{2} (g) ⟶ 2 NO (g)

(a)

N_{2} (g) + O_{2} (g) ⟶ 2 NO (g)

(b)

Si (s) + 2 {Cl}_{2} (g) ⟶ {SiCl}_{4} (g)

(b)

Si (s) + 2 {Cl}_{2} (g) ⟶ {SiCl}_{4} (g)

(c)

{Fe}_{2} O_{3} (s) + 3 H_{2} (g) ⟶ 2 Fe (s) + 3 H_{2} O (l)

(c)

{Fe}_{2} O_{3} (s) + 3 H_{2} (g) ⟶ 2 Fe (s) + 3 H_{2} O (l)

(d)

2 LiOH (s) + {CO}_{2} (g) ⟶ {Li}_{2} {CO}_{3} (s) + H_{2} O (g)

(d)

2 LiOH (s) + {CO}_{2} (g) ⟶ {Li}_{2} {CO}_{3} (s) + H_{2} O (g)

Exercise 69問題 69

Using the data in Appendix G, calculate the standard enthalpy change for each of the following reactions:

付録Gのデータを用い、次の各反応の標準エンタルピー変化を求めなさい。

(a)

Si (s) + 2 F_{2} (g) ⟶ {SiF}_{4} (g)

(a)

Si (s) + 2 F_{2} (g) ⟶ {SiF}_{4} (g)

(b)

2 C (s) + 2 H_{2} (g) + O_{2} (g) ⟶ {CH}_{3} {CO}_{2} H (l)

(b)

2 C (s) + 2 H_{2} (g) + O_{2} (g) ⟶ {CH}_{3} {CO}_{2} H (l)

(c)

{CH}_{4} (g) + N_{2} (g) ⟶ HCN (g) + {NH}_{3} (g);

(c)

{CH}_{4} (g) + N_{2} (g) ⟶ HCN (g) + {NH}_{3} (g);

(d)

{CS}_{2} (g) + 3 {Cl}_{2} (g) ⟶ {CCl}_{4} (g) + S_{2} {Cl}_{2} (g)

(d)

{CS}_{2} (g) + 3 {Cl}_{2} (g) ⟶ {CCl}_{4} (g) + S_{2} {Cl}_{2} (g)

Solution解き方

(a) −1615.0 kJ mol⁻¹; (b) −484.3 kJ mol⁻¹; (c) 164.2 kJ; (d) −232.1 kJ

Exercise 70問題 70

The following reactions can be used to prepare samples of metals. Determine the enthalpy change under standard state conditions for each.

次の反応は、金属試料の調製に使える。それぞれについて、標準状態の条件でのエンタルピー変化を求めなさい。

(a)

2 {Ag}_{2} O (s) ⟶ 4 Ag (s) + O_{2} (g)

(a)

2 {Ag}_{2} O (s) ⟶ 4 Ag (s) + O_{2} (g)

(b)

SnO (s) + CO (g) ⟶ Sn (s) + {CO}_{2} (g)

(b)

SnO (s) + CO (g) ⟶ Sn (s) + {CO}_{2} (g)

(c)

{Cr}_{2} O_{3} (s) + 3 H_{2} (g) ⟶ 2 Cr (s) + 3 H_{2} O (l)

(c)

{Cr}_{2} O_{3} (s) + 3 H_{2} (g) ⟶ 2 Cr (s) + 3 H_{2} O (l)

(d)

2 Al (s) + {Fe}_{2} O_{3} (s) ⟶ {Al}_{2} O_{3} (s) + 2 Fe (s)

(d)

2 Al (s) + {Fe}_{2} O_{3} (s) ⟶ {Al}_{2} O_{3} (s) + 2 Fe (s)

Exercise 71問題 71

The decomposition of hydrogen peroxide, H₂O₂, has been used to provide thrust in the control jets of various space vehicles. Using the data in Appendix G, determine how much heat is produced by the decomposition of exactly 1 mole of H₂O₂ under standard conditions.

2 H_{2} O_{2} (l) ⟶ 2 H_{2} O (g) + O_{2} (g)

過酸化水素H₂O₂の分解は、さまざまな宇宙機の姿勢制御用ジェットで推力を得るために使われてきた。付録Gのデータを使い、標準条件でH₂O₂がちょうど1 mol分解するときの発生熱量を求めなさい。

2 H_{2} O_{2} (l) ⟶ 2 H_{2} O (g) + O_{2} (g)

Solution解き方

−54.04 kJ mol⁻¹

Exercise 72問題 72

Calculate the enthalpy of combustion of propane, C₃H₈(g), for the formation of H₂O(g) and CO₂(g). The enthalpy of formation of propane is −104 kJ/mol.

英語のヒント

プロパンC₃H₈(g)が燃焼してH₂O(g)とCO₂(g)を生じるときの燃焼エンタルピーを求めなさい。プロパンの生成エンタルピーは−104 kJ/molである。

Exercise 73問題 73

Calculate the enthalpy of combustion of butane, C₄H₁₀(g) for the formation of H₂O(g) and CO₂(g). The enthalpy of formation of butane is −126 kJ/mol.

英語のヒント

ブタンC₄H₁₀(g)が燃焼してH₂O(g)とCO₂(g)を生じるときの燃焼エンタルピーを求めなさい。ブタンの生成エンタルピーは−126 kJ/molである。

Solution解き方

−2660 kJ mol⁻¹

Exercise 74問題 74

Both propane and butane are used as gaseous fuels. Which compound produces more heat per gram when burned?

プロパンとブタンは、どちらも気体燃料として使われる。燃焼時に1 gあたりで多くの熱を発生するのはどちらか。

Exercise 75問題 75

The white pigment TiO₂ is prepared by the reaction of titanium tetrachloride, TiCl₄, with water vapor in the gas phase:

{TiCl}_{4} (g) + 2 H_{2} O (g) ⟶ {TiO}_{2} (s) + 4 HCl (g) .

白色顔料TiO₂は、四塩化チタンTiCl₄と水蒸気を気相で反応させて作る。

{TiCl}_{4} (g) + 2 H_{2} O (g) ⟶ {TiO}_{2} (s) + 4 HCl (g) .

How much heat is evolved in the production of exactly 1 mole of TiO₂(s) under standard state conditions?

標準状態の条件でTiO₂(s)をちょうど1 mol作ると、どれだけの熱が放出されるか。

Solution解き方

–66.4 kJ

Exercise 76問題 76

Water gas, a mixture of H₂ and CO, is an important industrial fuel produced by the reaction of steam with red hot coke, essentially pure carbon:

C (s) + H_{2} O (g) ⟶ CO (g) + H_{2} (g) .

H₂とCOの混合物である水性ガスは、重要な工業用燃料である。ほぼ純粋な炭素であるコークスを赤熱させ、水蒸気と反応させて作る。

C (s) + H_{2} O (g) ⟶ CO (g) + H_{2} (g) .

(a) Assuming that coke has the same enthalpy of formation as graphite, calculate

Δ H °

for this reaction.

(a) コークスの生成エンタルピーが黒鉛と同じと仮定し、この反応の

Δ H °

を求めなさい。

(b) Methanol, a liquid fuel that could possibly replace gasoline, can be prepared from water gas and additional hydrogen at high temperature and pressure in the presence of a suitable catalyst:

2 H_{2} (g) + CO (g) ⟶ {CH}_{3} OH (g) .

(b) ガソリンの代替になりうる液体燃料メタノールは、適切な触媒の存在下、高温・高圧で、水性ガスにさらに水素を加えて作れる。

2 H_{2} (g) + CO (g) ⟶ {CH}_{3} OH (g) .

Under the conditions of the reaction, methanol forms as a gas. Calculate

Δ H °

for this reaction and for the condensation of gaseous methanol to liquid methanol.

この反応条件では、メタノールは気体として生成する。この反応の

Δ H °

と、気体のメタノールが液体へ凝縮するときの値を求めなさい。

Exercise 77問題 77

In the early days of automobiles, illumination at night was provided by burning acetylene, C₂H₂. Though no longer used as auto headlamps, acetylene is still used as a source of light by some cave explorers. The acetylene is (was) prepared in the lamp by the reaction of water with calcium carbide, CaC₂:

{CaC}_{2} (s) + 2 H_{2} O (l) ⟶ Ca {(OH)}_{2} (s) + C_{2} H_{2} (g) .

Calculate the standard enthalpy of the reaction. The

Δ H_{f}^{°}

of CaC₂ is −15.14 kcal/mol.

初期の自動車では、アセチレンC₂H₂を燃やして夜間の照明を得ていた。自動車の前照灯には使われなくなったが、一部の洞窟探検家は今でも光源にアセチレンを使う。アセチレンは、ランプの中で水と炭化カルシウムCaC₂を反応させて作る（または、作っていた）。

{CaC}_{2} (s) + 2 H_{2} O (l) ⟶ Ca {(OH)}_{2} (s) + C_{2} H_{2} (g) .

この反応の標準エンタルピーを求めなさい。CaC₂の

Δ H_{f}^{°}

は−15.14 kcal/molである。

Solution解き方

−122.8 kJ

Exercise 78問題 78

From the data in Table 5.2, determine which of the following fuels produces the greatest amount of heat per gram when burned under standard conditions: CO(g), CH₄(g), or C₂H₂(g).

表5.2のデータから、標準条件で燃やしたときに1 gあたり最も多くの熱を発生する燃料を、CO(g)、CH₄(g)、C₂H₂(g)から選びなさい。

Exercise 79問題 79

The enthalpy of combustion of hard coal averages −35 kJ/g, that of gasoline, 1.28

\times

10⁵ kJ/gal. How many kilograms of hard coal provide the same amount of heat as is available from 1.0 gallon of gasoline? Assume that the density of gasoline is 0.692 g/mL (the same as the density of isooctane).

硬質炭の燃焼エンタルピーは平均−35 kJ/g、ガソリンは1.28

\times

10⁵ kJ/galである。ガソリン1.0ガロンから得られる熱量と同じ熱を得るには、硬質炭が何kg必要か。ガソリンの密度はイソオクタンと同じ0.692 g/mLとする。

Solution解き方

3.7 kg

Exercise 80問題 80

Ethanol, C₂H₅OH, is used as a fuel for motor vehicles, particularly in Brazil.

エタノールC₂H₅OHは、特にブラジルで自動車燃料として使われている。

(a) Write the balanced equation for the combustion of ethanol to CO₂(g) and H₂O(g), and, using the data in Appendix G, calculate the enthalpy of combustion of 1 mole of ethanol.

(a) エタノールが燃焼してCO₂(g)とH₂O(g)を生じる反応式の係数を合わせ、付録Gのデータからエタノール1 molの燃焼エンタルピーを求めなさい。

(b) The density of ethanol is 0.7893 g/mL. Calculate the enthalpy of combustion of exactly 1 L of ethanol.

(b) エタノールの密度は0.7893 g/mLである。正確に1 Lのエタノールの燃焼エンタルピーを求めなさい。

(c) Assuming that an automobile’s mileage is directly proportional to the heat of combustion of the fuel, calculate how much farther an automobile could be expected to travel on 1 L of gasoline than on 1 L of ethanol. Assume that gasoline has the heat of combustion and the density of n–octane, C₈H₁₈

(Δ H_{f}^{°} = −208.4 kJ/mol;

density = 0.7025 g/mL).

(Δ H_{f}^{°} = −208.4 kJ/mol;

、密度 = 0.7025 g/mL）。

Exercise 81問題 81

Among the substances that react with oxygen and that have been considered as potential rocket fuels are diborane [B₂H₆, produces B₂O₃(s) and H₂O(g)], methane [CH₄, produces CO₂(g) and H₂O(g)], and hydrazine [N₂H₄, produces N₂(g) and H₂O(g)]. On the basis of the heat released by 1.00 g of each substance in its reaction with oxygen, which of these compounds offers the best possibility as a rocket fuel? The

Δ H_{f}^{°}

of B₂H₆(g), CH₄(g), and N₂H₄(l) may be found in Appendix G.

酸素と反応し、ロケット燃料の候補とされてきた物質には、ジボラン［B₂H₆、B₂O₃(s)とH₂O(g)を生成］、メタン［CH₄、CO₂(g)とH₂O(g)を生成］、ヒドラジン［N₂H₄、N₂(g)とH₂O(g)を生成］がある。それぞれ1.00 gが酸素と反応するときの放出熱量を基準にすると、最も有望なのはどれか。B₂H₆(g)、CH₄(g)、N₂H₄(l)の

Δ H_{f}^{°}

は付録Gにある。

Solution解き方

On the assumption that the best rocket fuel is the one that gives off the most heat, B₂H₆ is the prime candidate.

最も多くの熱を放出するものが最良のロケット燃料だと仮定すれば、B₂H₆が最有力候補となる。

Exercise 82問題 82

How much heat is produced when 1.25 g of chromium metal reacts with oxygen gas under standard conditions?

標準条件で金属クロム1.25 gが酸素ガスと反応すると、どれだけの熱が発生するか。

Exercise 83問題 83

Ethylene, C₂H₄, a byproduct from the fractional distillation of petroleum, is fourth among the 50 chemical compounds produced commercially in the largest quantities. About 80% of synthetic ethanol is manufactured from ethylene by its reaction with water in the presence of a suitable catalyst.

C_{2} H_{4} (g) + H_{2} O (g) ⟶ C_{2} H_{5} OH (l)

エチレンC₂H₄は石油の分留で得られる副産物で、工業的に大量生産される50種類の化合物のうち生産量が第4位である。合成エタノールの約80%は、適切な触媒の存在下でエチレンを水と反応させて製造する。

C_{2} H_{4} (g) + H_{2} O (g) ⟶ C_{2} H_{5} OH (l)

Using the data in the table in Appendix G, calculate ΔH° for the reaction.

付録Gの表のデータを使い、この反応のΔH°を求めなさい。

Solution解き方

−88.2 kJ

Exercise 84問題 84

The oxidation of the sugar glucose, C₆H₁₂O₆, is described by the following equation:

C_{6} H_{12} O_{6} (s) + 6 O_{2} (g) ⟶ 6 {CO}_{2} (g) + 6 H_{2} O (l) Δ H = −2816 kJ

糖の一種であるグルコースC₆H₁₂O₆の酸化は、次の式で表される。

C_{6} H_{12} O_{6} (s) + 6 O_{2} (g) ⟶ 6 {CO}_{2} (g) + 6 H_{2} O (l) Δ H = −2816 kJ

The metabolism of glucose gives the same products, although the glucose reacts with oxygen in a series of steps in the body.

グルコースの代謝でも同じ生成物が得られる。ただし、体内では酸素との反応がいくつもの段階を経て進む。

(a) How much heat in kilojoules can be produced by the metabolism of 1.0 g of glucose?

(a) グルコース1.0 gの代謝で、何kJの熱が生じるか。

(b) How many Calories can be produced by the metabolism of 1.0 g of glucose?

(b) グルコース1.0 gの代謝で、何Caloriesが生じるか。

Exercise 85問題 85

Propane, C₃H₈, is a hydrocarbon that is commonly used as a fuel.

プロパンC₃H₈は、燃料として広く使われる炭化水素である。

(a) Write a balanced equation for the complete combustion of propane gas.

(a) プロパンガスの完全燃焼について、係数を合わせた反応式を書きなさい。

(b) Calculate the volume of air at 25 °C and 1.00 atmosphere that is needed to completely combust 25.0 grams of propane. Assume that air is 21.0 percent O₂ by volume. (Hint: We will see how to do this calculation in a later chapter on gases—for now use the information that 1.00 L of air at 25 °C and 1.00 atm contains 0.275 g of O₂.)

(b) プロパン25.0 gを完全燃焼させるのに必要な、25 °C、1.00 atmの空気の体積を求めなさい。空気は体積比で21.0%のO₂を含むとする。ヒント：この計算方法は後の気体の章で学ぶ。ここでは、25 °C、1.00 atmの空気1.00 LにO₂が0.275 g含まれるという情報を使う。

Δ H_{f}^{°}

of propane given that

Δ H_{f}^{°}

of H₂O(l) = −285.8 kJ/mol and

Δ H_{f}^{°}

of CO₂(g) = −393.5 kJ/mol.

Δ H_{f}^{°}

= −285.8 kJ/mol、CO₂(g)の

Δ H_{f}^{°}

= −393.5 kJ/molとして、プロパンの生成熱

Δ H_{f}^{°}

を求めなさい。

(d) Assuming that all of the heat released in burning 25.0 grams of propane is transferred to 4.00 kilograms of water, calculate the increase in temperature of the water.

(d) プロパン25.0 gを燃やしたときの放出熱がすべて水4.00 kgへ移ると仮定し、水の温度上昇を求めなさい。

Solution解き方

(a)

C_{3} H_{8} (g) + 5 O_{2} (g) ⟶ 3 {CO}_{2} (g) + 4 H_{2} O (l);

(b) 330 L air; (c) −104.5 kJ mol⁻¹; (d) 75.4 °C

(a)

C_{3} H_{8} (g) + 5 O_{2} (g) ⟶ 3 {CO}_{2} (g) + 4 H_{2} O (l);

　(b) 空気330 L　(c) −104.5 kJ mol⁻¹　(d) 75.4 °C

Exercise 86問題 86

During a recent winter month in Sheboygan, Wisconsin, it was necessary to obtain 3500 kWh of heat provided by a natural gas furnace with 89% efficiency to keep a small house warm (the efficiency of a gas furnace is the percent of the heat produced by combustion that is transferred into the house).

ウィスコンシン州シボイガンで、ある冬の1か月、小さな家を暖かく保つため、効率89%の天然ガス暖房炉から3500 kWhの熱を得る必要があった。ガス暖房炉の効率とは、燃焼で発生した熱のうち、家の中へ移る割合である。

(a) Assume that natural gas is pure methane and determine the volume of natural gas in cubic feet that was required to heat the house. The average temperature of the natural gas was 56 °F; at this temperature and a pressure of 1 atm, natural gas has a density of 0.681 g/L.

(a) 天然ガスを純粋なメタンと仮定し、暖房に必要だった天然ガスの体積を立方フィートで求めなさい。天然ガスの平均温度は56 °Fだった。この温度、1 atmでは、天然ガスの密度は0.681 g/Lである。

(b) How many gallons of LPG (liquefied petroleum gas) would be required to replace the natural gas used? Assume the LPG is liquid propane [C₃H₈: density, 0.5318 g/mL; enthalpy of combustion, 2219 kJ/mol for the formation of CO₂(g) and H₂O(l)] and the furnace used to burn the LPG has the same efficiency as the gas furnace.

(b) 使用した天然ガスを置き換えるには、LPG（液化石油ガス）が何ガロン必要か。LPGは液体プロパンC₃H₈とし、密度0.5318 g/mL、CO₂(g)とH₂O(l)を生じる燃焼の燃焼エンタルピーを2219 kJ/molとする。LPG用暖房炉の効率は、天然ガス暖房炉と同じとする。

(d) What mass of water is produced by combustion of the methane used to heat the house?

(d) 暖房に使ったメタンの燃焼で生じる水の質量はいくらか。

(e) What volume of air is required to provide the oxygen for the combustion of the methane used to heat the house? Air contains 23% oxygen by mass. The average density of air during the month was 1.22 g/L.

(e) 暖房に使ったメタンの燃焼に必要な酸素を供給するには、どれだけの体積の空気が必要か。空気は質量比で23%の酸素を含む。この月の空気の平均密度は1.22 g/Lだった。

(f) How many kilowatt–hours (1 kWh = 3.6

\times

10⁶ J) of electricity would be required to provide the heat necessary to heat the house? Note electricity is 100% efficient in producing heat inside a house.

(f) 家の暖房に必要な熱を得るには、何kWhの電気が必要か。1 kWh = 3.6

\times

10⁶ Jである。電気は家の中で100%の効率で熱を生じることに注意する。

(g) Although electricity is 100% efficient in producing heat inside a house, production and distribution of electricity is not 100% efficient. The efficiency of production and distribution of electricity produced in a coal-fired power plant is about 40%. A certain type of coal provides 2.26 kWh per pound upon combustion. What mass of this coal in kilograms will be required to produce the electrical energy necessary to heat the house if the efficiency of generation and distribution is 40%?

(g) 電気は家の中で100%の効率で熱を生じるが、発電と送配電の効率は100%ではない。石炭火力発電所からの電気では、発電と送配電を合わせた効率は約40%である。ある石炭は、燃焼によって1ポンドあたり2.26 kWhを供給する。効率を40%として、家の暖房に必要な電気を作るには、この石炭が何kg必要か。

chemical thermodynamics

化学熱力学

area of science that deals with the relationships between heat, work, and all forms of energy associated with chemical and physical processes

化学的・物理的な過程に伴う熱、仕事、あらゆる形のエネルギーの関係を扱う科学の分野。

enthalpy (H)

エンタルピー（H）

sum of a system’s internal energy and the mathematical product of its pressure and volume

系の内部エネルギーと、圧力と体積の積との和。

enthalpy change (ΔH)

エンタルピー変化（ΔH）

heat released or absorbed by a system under constant pressure during a chemical or physical process

一定圧力での化学的または物理的な過程において、系が放出または吸収する熱。

expansion work (pressure-volume work)

膨張仕事（圧力・体積仕事）

work done as a system expands or contracts against external pressure

系が外圧に抗して膨張または収縮するときに行われる仕事。

first law of thermodynamics

熱力学第1法則

internal energy of a system changes due to heat flow in or out of the system or work done on or by the system

系の内部エネルギーは、系に出入りする熱、または系がする仕事や系にされる仕事によって変化する。

Hess’s law

ヘスの法則

if a process can be represented as the sum of several steps, the enthalpy change of the process equals the sum of the enthalpy changes of the steps

ある過程を複数の段階の和として表せるなら、全体のエンタルピー変化は、各段階のエンタルピー変化の和に等しい。

hydrocarbon

炭化水素

compound composed only of hydrogen and carbon; the major component of fossil fuels

水素と炭素だけからなる化合物。化石燃料の主成分。

internal energy (U)

内部エネルギー（U）

total of all possible kinds of energy present in a substance or substances

ある物質または複数の物質に存在する、あらゆる種類のエネルギーの総和。

standard enthalpy of combustion

(Δ H_{c}^{°})

標準燃焼エンタルピー

(Δ H_{c}^{°})

heat released when one mole of a compound undergoes complete combustion under standard conditions

標準条件で、化合物1 molが完全燃焼するときに放出する熱。

standard enthalpy of formation

(Δ H_{f}^{°})

標準生成エンタルピー

(Δ H_{f}^{°})

enthalpy change of a chemical reaction in which 1 mole of a pure substance is formed from its elements in their most stable states under standard state conditions

標準状態の条件で、各元素の最も安定な状態から純物質1 molを生成する化学反応のエンタルピー変化。

standard state

標準状態

set of physical conditions as accepted as common reference conditions for reporting thermodynamic properties; 1 bar of pressure, and solutions at 1 molar concentrations, usually at a temperature of 298.15 K

熱力学的性質を報告する際の共通の基準として採用される、一組の物理条件。圧力は1 bar、溶液は1 mol/Lで、温度は通常298.15 Kである。

state function

状態関数

property depending only on the state of a system, and not the path taken to reach that state

系の状態だけによって決まり、その状態に至る経路には依存しない性質。