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第16章熱力学

Key Concepts and Summary重要概念とまとめ

Gibbs free energy (G) is a state function defined with regard to system quantities only and may be used to predict the spontaneity of a process. A negative value for ΔG indicates a spontaneous process; a positive ΔG indicates a nonspontaneous process; and a ΔG of zero indicates that the system is at equilibrium. A number of approaches to the computation of free energy changes are possible.
ギブズ自由エネルギー(G)は、系の量だけに基づいて定義される状態関数であり、過程の自発性を予測するために使える。ΔGの負の値は自発的過程を、正の値は非自発的過程を示し、ΔGがゼロなら系が平衡状態にあることを示す。自由エネルギー変化の計算には、いくつかの方法がある。

Key Equations重要な式

ΔG = ΔH − TΔS

Chemistry End of Chapter Exercises章末問題

Exercises 30–66練習問題 30–66
Exercise 30問題 30
What is the difference between ΔG and ΔG° for a chemical change?
化学変化について、ΔGとΔG°にはどのような違いがあるか。
Exercise 31問題 31
A reaction has ΔH° = 100 kJ/mol and ΔS°=250 J/mol·K. Is the reaction spontaneous at room temperature? If not, under what temperature conditions will it become spontaneous?
ある反応では、ΔH° = 100 kJ/mol、ΔS°=250 J/mol·K.である。この反応は室温で自発的か。そうでないなら、どのような温度条件で自発的になるか。
Solution解き方
The reaction is nonspontaneous at room temperature.
Above 400 K, ΔG will become negative, and the reaction will become spontaneous.
この反応は室温では非自発的である。400 Kを超えるとΔGが負になり、反応は自発的になる。
Exercise 32問題 32
Explain what happens as a reaction starts with ΔG < 0 (negative) and reaches the point where ΔG = 0.
ΔG < 0(負)の状態で反応が始まり、ΔG = 0の点に達するときに何が起こるか、説明しなさい。
Exercise 33問題 33
Use the standard free energy of formation data in Appendix G to determine the free energy change for each of the following reactions, which are run under standard state conditions and 25 °C. Identify each as either spontaneous or nonspontaneous at these conditions.
付録Gの標準生成自由エネルギーのデータを用いて、次の各反応の自由エネルギー変化を求めなさい。これらの反応は、25 °Cの標準状態の条件で行う。この条件で各反応が自発的か非自発的かを判定しなさい。
(a) MnO2(s)⟶Mn(s)+O2(g)
(a) MnO2(s)⟶Mn(s)+O2(g)
(b) H2(g)+Br2(l)⟶2HBr(g)
(b) H2(g)+Br2(l)⟶2HBr(g)
(c) Cu(s)+S(g)⟶CuS(s)
(c) Cu(s)+S(g)⟶CuS(s)
(d) 2LiOH(s)+CO2(g)⟶Li2CO3(s)+H2O(g)
(d) 2LiOH(s)+CO2(g)⟶Li2CO3(s)+H2O(g)
(e) CH4(g)+O2(g)⟶C(s,graphite)+2H2O(g)
(e) CH4(g)+O2(g)⟶C(s,黒鉛)+2H2O(g)
(f) CS2(g)+3Cl2(g)⟶CCl4(g)+S2Cl2(g)
(f) CS2(g)+3Cl2(g)⟶CCl4(g)+S2Cl2(g)
Solution解き方
(a) 465.1 kJ nonspontaneous; (b) −106.86 kJ spontaneous; (c) −291.9 kJ spontaneous; (d) −83.4 kJ spontaneous; (e) −406.7 kJ spontaneous; (f) −154.3 kJ spontaneous
(a) 465.1 kJ、非自発的。(b) −106.86 kJ、自発的。(c) −291.9 kJ、自発的。(d) −83.4 kJ、自発的。(e) −406.7 kJ、自発的。(f) −154.3 kJ、自発的。
Exercise 34問題 34
Use the standard free energy data in Appendix G to determine the free energy change for each of the following reactions, which are run under standard state conditions and 25 °C. Identify each as either spontaneous or nonspontaneous at these conditions.
付録Gの標準自由エネルギーのデータを用いて、次の各反応の自由エネルギー変化を求めなさい。これらの反応は、25 °Cの標準状態の条件で行う。この条件で各反応が自発的か非自発的かを判定しなさい。
(a) C(s, graphite)+O2(g)⟶CO2(g)
(a) C(s、黒鉛)+O2(g)⟶CO2(g)
(b) O2(g)+N2(g)⟶2NO(g)
(b) O2(g)+N2(g)⟶2NO(g)
(c) 2Cu(s)+S(g)⟶Cu2S(s)
(c) 2Cu(s)+S(g)⟶Cu2S(s)
(d) CaO(s)+H2O(l)⟶Ca(OH)2(s)
(d) CaO(s)+H2O(l)⟶Ca(OH)2(s)
(e) Fe2O3(s)+3CO(g)⟶2Fe(s)+3CO2(g)
(e) Fe2O3(s)+3CO(g)⟶2Fe(s)+3CO2(g)
(f) CaSO4·2H2O(s)⟶CaSO4(s)+2H2O(g)
(f) CaSO4·2H2O(s)⟶CaSO4(s)+2H2O(g)
Exercise 35問題 35
Given:
P4(s)+5O2(g)⟶P4O10(s)ΔG°=−2697.0 kJ/mol
2H2(g)+O2(g)⟶2H2O(g)ΔG°=−457.18 kJ/mol
6H2O(g)+P4O10(s)⟶4H3PO4(l)ΔG°=−428.66 kJ/mol
与えられたデータ:P4(s)+5O2(g)⟶P4O10(s)ΔG°=−2697.0 kJ/mol 2H2(g)+O2(g)⟶2H2O(g)ΔG°=−457.18 kJ/mol 6H2O(g)+P4O10(s)⟶4H3PO4(l)ΔG°=−428.66 kJ/mol
(a) Determine the standard free energy of formation, ΔGf°, for phosphoric acid.
(a) リン酸の標準生成自由エネルギーΔGf°,を求めなさい。
(b) How does your calculated result compare to the value in Appendix G? Explain.
(b) 計算で求めた結果は、付録Gの値と比べてどうか。説明しなさい。
Solution解き方
(a) The standard free energy of formation is –1124.3 kJ/mol. (b) The calculation agrees with the value in Appendix G because free energy is a state function (just like the enthalpy and entropy), so its change depends only on the initial and final states, not the path between them.
英語のヒント
(a) 標準生成自由エネルギーは–1124.3 kJ/molである。(b) 計算結果は付録Gの値と一致する。自由エネルギーは、エンタルピーやエントロピーと同様に状態関数なので、その変化は初期状態と最終状態だけで決まり、その間の経路にはよらないからである。
Exercise 36問題 36
Is the formation of ozone (O3(g)) from oxygen (O2(g)) spontaneous at room temperature under standard state conditions?
酸素(O2(g))からのオゾン(O3(g))の生成は、室温、標準状態の条件で自発的か。
Exercise 37問題 37
Consider the decomposition of red mercury(II) oxide under standard state conditions.
2HgO(s,red)⟶2Hg(l)+O2(g)
標準状態の条件における赤色の酸化水銀(II)の分解を考えなさい。2HgO(s,赤色)⟶2Hg(l)+O2(g)
(a) Is the decomposition spontaneous under standard state conditions?
(a) この分解は標準状態の条件で自発的か。
(b) Above what temperature does the reaction become spontaneous?
(b) 何度を超えると、この反応は自発的になるか。
Solution解き方
(a) The reaction is nonspontaneous; (b) Above 566 °C the process is spontaneous.
(a) この反応は非自発的である。(b) 566 °Cを超えると、この過程は自発的になる。
Exercise 38問題 38
Among other things, an ideal fuel for the control thrusters of a space vehicle should decompose in a spontaneous exothermic reaction when exposed to the appropriate catalyst. Evaluate the following substances under standard state conditions as suitable candidates for fuels.
英語のヒント
宇宙機の制御用スラスターにとって理想的な燃料は、ほかの条件に加えて、適切な触媒に触れると、自発的な発熱反応によって分解するものである必要がある。次の物質を、標準状態の条件で、燃料として適した候補かどうか評価しなさい。
(a) Ammonia: 2NH3(g)⟶N2(g)+3H2(g)
(a) アンモニア:2NH3(g)⟶N2(g)+3H2(g)
(b) Diborane: B2H6(g)⟶2B(g)+3H2(g)
(b) ジボラン:B2H6(g)⟶2B(g)+3H2(g)
(c) Hydrazine: N2H4(g)⟶N2(g)+2H2(g)
(c) ヒドラジン:N2H4(g)⟶N2(g)+2H2(g)
(d) Hydrogen peroxide: H2O2(l)⟶H2O(g)+12O2(g)
(d) 過酸化水素:H2O2(l)⟶H2O(g)+12O2(g)
Exercise 39問題 39
Calculate ΔG° for each of the following reactions from the equilibrium constant at the temperature given.
次の各反応について、指定された温度での平衡定数からΔG°を計算しなさい。
(a) N2(g)+O2(g)⟶2NO(g)T=2000°CKp=4.1×10−4
(a) N2(g)+O2(g)⟶2NO(g)T=2000°CKp=4.1×10−4
(b) H2(g)+I2(g)⟶2HI(g)T=400°CKp=50.0
(b) H2(g)+I2(g)⟶2HI(g)T=400°CKp=50.0
(c) CO2(g)+H2(g)⟶CO(g)+H2O(g)T=980°CKp=1.67
(c) CO2(g)+H2(g)⟶CO(g)+H2O(g)T=980°CKp=1.67
(d) CaCO3(s)⟶CaO(s)+CO2(g)T=900°CKp=1.04
(d) CaCO3(s)⟶CaO(s)+CO2(g)T=900°CKp=1.04
(e) HF(aq)+H2O(l)⟶H3O+(aq)+F−(aq)T=25°CKa=7.2×10−4
(e) HF(aq)+H2O(l)⟶H3O+(aq)+F−(aq)T=25°CKa=7.2×10−4
(f) AgBr(s)⟶Ag+(aq)+Br−(aq)T=25°CKsp=3.3×10−13
(f) AgBr(s)⟶Ag+(aq)+Br−(aq)T=25°CKsp=3.3×10−13
Solution解き方
(a) 1.5 × 102 kJ; (b) −21.9 kJ; (c) −5.34 kJ; (d) −0.383 kJ; (e) 18 kJ; (f) 71 kJ
(a) 1.5 × 102 kJ。(b) −21.9 kJ。(c) −5.34 kJ。(d) −0.383 kJ。(e) 18 kJ。(f) 71 kJ。
Exercise 40問題 40
Calculate ΔG° for each of the following reactions from the equilibrium constant at the temperature given.
次の各反応について、指定された温度での平衡定数からΔG°を計算しなさい。
(a) Cl2(g)+Br2(g)⟶2BrCl(g)T=25°CKp=4.7×10−2
(a) Cl2(g)+Br2(g)⟶2BrCl(g)T=25°CKp=4.7×10−2
(b) 2SO2(g)+O2(g)⇌2SO3(g)T=500°CKp=48.2
(b) 2SO2(g)+O2(g)⇌2SO3(g)T=500°CKp=48.2
(c) H2O(l)⇌H2O(g)T=60°CKp=0.196
(c) H2O(l)⇌H2O(g)T=60°CKp=0.196
(d) CoO(s)+CO(g)⇌Co(s)+CO2(g)T=550°CKp=4.90×102
(d) CoO(s)+CO(g)⇌Co(s)+CO2(g)T=550°CKp=4.90×102
(e) CH3NH2(aq)+H2O(l)⟶CH3NH3+(aq)+OH−(aq)T=25°CKb=4.4×10−4
(e) CH3NH2(aq)+H2O(l)⟶CH3NH3+(aq)+OH−(aq)T=25°CKb=4.4×10−4
(f) PbI2(s)⟶Pb2+(aq)+2I−(aq)T=25°CKsp=8.7×10−9
(f) PbI2(s)⟶Pb2+(aq)+2I−(aq)T=25°CKsp=8.7×10−9
Exercise 41問題 41
Calculate the equilibrium constant at 25 °C for each of the following reactions from the value of ΔG° given.
次の各反応について、与えられたΔG°の値から、25 °Cでの平衡定数を計算しなさい。
(a) O2(g)+2F2(g)⟶2OF2(g)ΔG°=−9.2 kJ
(a) O2(g)+2F2(g)⟶2OF2(g)ΔG°=−9.2 kJ
(b) I2(s)+Br2(l)⟶2IBr(g)ΔG°=7.3 kJ
(b) I2(s)+Br2(l)⟶2IBr(g)ΔG°=7.3 kJ
(c) 2LiOH(s)+CO2(g)⟶Li2CO3(s)+H2O(g)ΔG°=−79 kJ
(c) 2LiOH(s)+CO2(g)⟶Li2CO3(s)+H2O(g)ΔG°=−79 kJ
(d) N2O3(g)⟶NO(g)+NO2(g)ΔG°=−1.6 kJ
(d) N2O3(g)⟶NO(g)+NO2(g)ΔG°=−1.6 kJ
(e) SnCl4(l)⟶SnCl4(l)ΔG°=8.0 kJ
(e) SnCl4(l)⟶SnCl4(l)ΔG°=8.0 kJ
Solution解き方
(a) K = 41; (b) K = 0.053; (c) K = 6.9 × 1013; (d) K = 1.9; (e) K = 0.04
(a) K = 41。(b) K = 0.053。(c) K = 6.9 × 1013。(d) K = 1.9。(e) K = 0.04。
Exercise 42問題 42
Calculate the equilibrium constant at 25 °C for each of the following reactions from the value of ΔG° given.
次の各反応について、与えられたΔG°の値から、25 °Cでの平衡定数を計算しなさい。
(a) I2(s)+Cl2(g)⟶2ICl(g)ΔG°=−10.88 kJ
(a) I2(s)+Cl2(g)⟶2ICl(g)ΔG°=−10.88 kJ
(b) H2(g)+I2(s)⟶2HI(g)ΔG°=3.4 kJ
(b) H2(g)+I2(s)⟶2HI(g)ΔG°=3.4 kJ
(c) CS2(g)+3Cl2(g)⟶CCl4(g)+S2Cl2(g)ΔG°=−39 kJ
(c) CS2(g)+3Cl2(g)⟶CCl4(g)+S2Cl2(g)ΔG°=−39 kJ
(d) 2SO2(g)+O2(g)⟶2SO3(g)ΔG°=−141.82 kJ
(d) 2SO2(g)+O2(g)⟶2SO3(g)ΔG°=−141.82 kJ
(e) CS2(g)⟶CS2(l)ΔG°=−1.88 kJ
(e) CS2(g)⟶CS2(l)ΔG°=−1.88 kJ
Exercise 43問題 43
Calculate the equilibrium constant at the temperature given.
指定された温度での平衡定数を計算しなさい。
(a) O2(g)+2F2(g)⟶2F2O(g)(T=100°C)
(a) O2(g)+2F2(g)⟶2F2O(g)(T=100°C)
(b) I2(s)+Br2(l)⟶2IBr(g)(T=0.0°C)
(b) I2(s)+Br2(l)⟶2IBr(g)(T=0.0°C)
(c) 2LiOH(s)+CO2(g)⟶Li2CO3(s)+H2O(g)(T=575°C)
(c) 2LiOH(s)+CO2(g)⟶Li2CO3(s)+H2O(g)(T=575°C)
(d) N2O3(g)⟶NO(g)+NO2(g)(T=−10.0°C)
(d) N2O3(g)⟶NO(g)+NO2(g)(T=−10.0°C)
(e) SnCl4(l)⟶SnCl4(g)(T=200°C)
(e) SnCl4(l)⟶SnCl4(g)(T=200°C)
Solution解き方
In each of the following, the value of ΔG is not given at the temperature of the reaction. Therefore, we must calculate ΔG from the values ΔH° and ΔS and then calculate ΔG from the relation ΔG = ΔH° − TΔS°. (a) K = 1.07 × 10−13; (b) K = 2.51 × 10−3; (c) K = 2.73 × 104; (d) K = 0.219; (e) K = 16.1
次の各問では、反応温度でのΔGの値が与えられていない。したがって、ΔH°とΔSの値からΔGを計算し、次いでΔG = ΔH° − TΔS°の関係からΔGを計算しなければならない。(a) K = 1.07 × 10−13。(b) K = 2.51 × 10−3。(c) K = 2.73 × 104。(d) K = 0.219。(e) K = 16.1。
Exercise 44問題 44
Calculate the equilibrium constant at the temperature given.
指定された温度での平衡定数を計算しなさい。
(a) I2(s)+Cl2(g)⟶2ICl(g)(T=100°C)
(a) I2(s)+Cl2(g)⟶2ICl(g)(T=100°C)
(b) H2(g)+I2(s)⟶2HI(g)(T=0.0°C)
(b) H2(g)+I2(s)⟶2HI(g)(T=0.0°C)
(c) CS2(g)+3Cl2(g)⟶CCl4(g)+S2Cl2(g)(T=125°C)
(c) CS2(g)+3Cl2(g)⟶CCl4(g)+S2Cl2(g)(T=125°C)
(d) 2SO2(g)+O2(g)⟶2SO3(g)(T=675°C)
(d) 2SO2(g)+O2(g)⟶2SO3(g)(T=675°C)
(e) CS2(g)⟶CS2(l)(T=90°C)
(e) CS2(g)⟶CS2(l)(T=90°C)
Exercise 45問題 45
Consider the following reaction at 298 K:
N2O4(g)⇌2NO2(g)KP=0.142
298 Kにおける次の反応を考えなさい。N2O4(g)⇌2NO2(g)KP=0.142
What is the standard free energy change at this temperature? Describe what happens to the initial system, where the reactants and products are in standard states, as it approaches equilibrium.
この温度での標準自由エネルギー変化はいくらか。反応物と生成物が標準状態にある初期の系が平衡に近づくとき、何が起こるか説明しなさい。
Solution解き方
The standard free energy change is ΔG°=−RTlnK=4.84 kJ/mol. When reactants and products are in their standard states (1 bar or 1 atm), Q = 1. As the reaction proceeds toward equilibrium, the reaction shifts left (the amount of products drops while the amount of reactants increases): Q < 1, and ΔG becomes less positive as it approaches zero. At equilibrium, Q = K, and ΔG = 0.
標準自由エネルギー変化はΔG°=−RTlnK=4.84 kJ/mol.である。反応物と生成物が標準状態(1 barまたは1 atm)にあるとき、Q = 1である。反応が平衡に向けて進むにつれて、反応は左へ移動する(生成物の量が減り、反応物の量が増える)。Q < 1となり、ΔGはゼロに近づくにつれて正の値が小さくなる。平衡ではQ = K、ΔG = 0である。
Exercise 46問題 46
Determine the normal boiling point (in kelvin) of dichloromethane, CH2Cl2. Find the actual boiling point using the Internet or some other source, and calculate the percent error in the temperature. Explain the differences, if any, between the two values.
英語のヒント
ジクロロメタンCH2Cl2の標準沸点(ケルビン単位)を求めなさい。インターネットなどの資料を用いて実際の沸点を調べ、この温度の百分率誤差を計算しなさい。二つの値に差があれば、その理由を説明しなさい。
Exercise 47問題 47
Under what conditions is N2O3(g)⟶NO(g)+NO2(g) spontaneous?
どのような条件で、N2O3(g)⟶NO(g)+NO2(g)は自発的になるか。
Solution解き方
The reaction will be spontaneous at temperatures greater than 287 K.
この反応は、287 Kより高い温度で自発的になる。
Exercise 48問題 48
At room temperature, the equilibrium constant (Kw) for the self-ionization of water is 1.00 × 10−14. Using this information, calculate the standard free energy change for the aqueous reaction of hydrogen ion with hydroxide ion to produce water. (Hint: The reaction is the reverse of the self-ionization reaction.)
英語のヒント
室温で、水の自己電離の平衡定数(Kw)は1.00 × 10−14である。この情報を用い、水溶液中の水素イオンと水酸化物イオンが反応して水を生じる反応の標準自由エネルギー変化を計算しなさい。(ヒント:この反応は自己電離反応の逆反応である。)
Exercise 49問題 49
Hydrogen sulfide is a pollutant found in natural gas. Following its removal, it is converted to sulfur by the reaction 2H2S(g)+SO2(g)⇌38S8(s,rhombic)+2H2O(l). What is the equilibrium constant for this reaction? Is the reaction endothermic or exothermic?
英語のヒント
硫化水素は天然ガス中に含まれる汚染物質である。除去した後、次の反応によって硫黄に変える。2H2S(g)+SO2(g)⇌38S8(s,斜方晶)+2H2O(l). この反応の平衡定数はいくらか。この反応は吸熱反応か、発熱反応か。
Solution解き方
K = 5.35 × 1015; The process is exothermic.
K = 5.35 × 1015。この過程は発熱的である。
Exercise 50問題 50
Consider the decomposition of CaCO3(s) into CaO(s) and CO2(g). What is the equilibrium partial pressure of CO2 at room temperature?
CaCO3(s)がCaO(s)とCO2(g)に分解する反応を考えなさい。室温におけるCO2の平衡分圧はいくらか。
Exercise 51問題 51
In the laboratory, hydrogen chloride (HCl(g)) and ammonia (NH3(g)) often escape from bottles of their solutions and react to form the ammonium chloride (NH4Cl(s)), the white glaze often seen on glassware. Assuming that the number of moles of each gas that escapes into the room is the same, what is the maximum partial pressure of HCl and NH3 in the laboratory at room temperature? (Hint: The partial pressures will be equal and are at their maximum value when at equilibrium.)
英語のヒント
実験室では、塩化水素(HCl(g))とアンモニア(NH3(g))が、それぞれの溶液の瓶からしばしば漏れ出し、反応して塩化アンモニウム(NH4Cl(s))を生成する。これはガラス器具によく見られる白い薄膜である。室内に漏れ出す各気体の物質量が等しいと仮定すると、室温の実験室におけるHClとNH3の最大分圧はいくらか。(ヒント:両者の分圧は等しく、平衡にあるとき最大値となる。)
Solution解き方
1.0 × 10−8 atm. This is the maximum pressure of the gases under the stated conditions.
1.0 × 10−8 atm。これは、指定された条件での気体の最大圧力である。
Exercise 52問題 52
Benzene can be prepared from acetylene. 3C2H2(g)⇌C6H6(g). Determine the equilibrium constant at 25 °C and at 850 °C. Is the reaction spontaneous at either of these temperatures? Why is all acetylene not found as benzene?
ベンゼンはアセチレンから調製できる。3C2H2(g)⇌C6H6(g). 25 °Cと850 °Cでの平衡定数を求めなさい。この反応は、これらの温度のどちらかで自発的か。なぜアセチレンがすべてベンゼンとして存在しているわけではないのか。
Exercise 53問題 53
Carbon dioxide decomposes into CO and O2 at elevated temperatures. What is the equilibrium partial pressure of oxygen in a sample at 1000 °C for which the initial pressure of CO2 was 1.15 atm?
英語のヒント
二酸化炭素は高温でCOとO2に分解する。CO2の初期圧力が1.15 atmであった試料について、1000 °Cでの酸素の平衡分圧はいくらか。
Solution解き方
x=1.29×10−5atm=PO2
x=1.29×10−5atm=PO2
Exercise 54問題 54
Carbon tetrachloride, an important industrial solvent, is prepared by the chlorination of methane at 850 K.
CH4(g)+4Cl2(g)⟶CCl4(g)+4HCl(g)
英語のヒント
重要な工業用溶媒である四塩化炭素は、850 Kでメタンを塩素化して調製する。CH4(g)+4Cl2(g)⟶CCl4(g)+4HCl(g)
What is the equilibrium constant for the reaction at 850 K? Would the reaction vessel need to be heated or cooled to keep the temperature of the reaction constant?
850 Kでのこの反応の平衡定数はいくらか。反応温度を一定に保つには、反応容器を加熱する必要があるか、それとも冷却する必要があるか。
Exercise 55問題 55
Acetic acid, CH3CO2H, can form a dimer, (CH3CO2H)2, in the gas phase.
2CH3CO2H(g)⟶(CH3CO2H)2(g)
英語のヒント
酢酸CH3CO2Hは、気相で二量体(CH3CO2H)2を形成できる。2CH3CO2H(g)⟶(CH3CO2H)2(g)
The dimer is held together by two hydrogen bonds with a total strength of 66.5 kJ per mole of dimer.
この二量体は二つの水素結合によって結び付いており、その結合の強さの合計は、二量体1モルあたり66.5 kJである。
このルイス構造は、六辺からなる環状構造を示している。メチル基が炭素に単結合し、その炭素は上側の酸素原子に二重結合し、下側の酸素原子に単結合している。下側の酸素は水素に単結合しており、その水素は、上側の炭素に二重結合している酸素と点線で結ばれている。この炭素は右側のメチル基、および上側の酸素に単結合している。その上側の酸素は水素に単結合し、この水素は左側の二重結合した酸素と点線で結ばれている。

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

At 25 °C, the equilibrium constant for the dimerization is 1.3 × 103 (pressure in atm). What is ΔS° for the reaction?
英語のヒント
25 °Cで、この二量化の平衡定数は1.3 × 103(圧力はatm単位)である。この反応のΔS°はいくらか。
Solution解き方
−0.16 kJ
−0.16 kJ
Exercise 56問題 56
Determine ΔGº for the following reactions.
次の反応のΔGºを求めなさい。
(a) Antimony pentachloride decomposes at 448 °C. The reaction is:
SbCl5(g)⟶SbCl3(g)+Cl2(g)
(a) 五塩化アンチモンは448 °Cで分解する。反応は次のとおりである。SbCl5(g)⟶SbCl3(g)+Cl2(g)
An equilibrium mixture in a 5.00 L flask at 448 °C contains 3.85 g of SbCl5, 9.14 g of SbCl3, and 2.84 g of Cl2.
448 °Cの5.00 Lフラスコ内の平衡混合物には、3.85 gのSbCl5、9.14 gのSbCl3、2.84 gのCl2が含まれる。
(b) Chlorine molecules dissociate according to this reaction:
Cl2(g)⟶2Cl(g)
(b) 塩素分子は次の反応に従って解離する。Cl2(g)⟶2Cl(g)
1.00% of Cl2 molecules dissociate at 975 K and a pressure of 1.00 atm.
975 K、1.00 atmの圧力で、Cl2分子の1.00%が解離する。
Solution解き方
(a) 22.1 kJ; (b) 98.9 kJ/mol
(a) 22.1 kJ。(b) 98.9 kJ/mol。
Exercise 57問題 57
Given that the ΔGf° for Pb2+(aq) and Cl−(aq) is −24.3 kJ/mole and −131.2 kJ/mole respectively, determine the solubility product, Ksp, for PbCl2(s).
Pb2+(aq)とCl−(aq)のΔGf°がそれぞれ−24.3 kJ/mole、−131.2 kJ/moleであるとして、PbCl2(s)の溶解度積Kspを求めなさい。
Exercise 58問題 58
Determine the standard free energy change, ΔGf°, for the formation of S2−(aq) given that the ΔGf° for Ag+(aq) and Ag2S(s) are 77.1 kJ/mole and −39.5 kJ/mole respectively, and the solubility product for Ag2S(s) is 8 × 10−51.
Ag+(aq)とAg2S(s)のΔGf°がそれぞれ77.1 kJ/mole、−39.5 kJ/moleであり、Ag2S(s)の溶解度積が8 × 10−51であるとして、S2−(aq)の生成に伴う標準自由エネルギー変化ΔGf°,を求めなさい。
Solution解き方
90 kJ/mol
90 kJ/mol
Exercise 59問題 59
Determine the standard enthalpy change, entropy change, and free energy change for the conversion of diamond to graphite. Discuss the spontaneity of the conversion with respect to the enthalpy and entropy changes. Explain why diamond spontaneously changing into graphite is not observed.
英語のヒント
ダイヤモンドから黒鉛への変化について、標準エンタルピー変化、エントロピー変化、自由エネルギー変化を求めなさい。エンタルピー変化とエントロピー変化に関連させて、この変化の自発性を論じなさい。ダイヤモンドが自発的に黒鉛に変わる様子が観察されない理由を説明しなさい。
Exercise 60問題 60
The evaporation of one mole of water at 298 K has a standard free energy change of 8.58 kJ.
H2O(l)⇌H2O(g)ΔG°=8.58 kJ
298 Kで水1モルが蒸発するときの標準自由エネルギー変化は8.58 kJである。H2O(l)⇌H2O(g)ΔG°=8.58 kJ
(a) Is the evaporation of water under standard thermodynamic conditions spontaneous?
(a) 標準の熱力学的条件で、水の蒸発は自発的か。
(b) Determine the equilibrium constant, KP, for this physical process.
(b) この物理的過程の平衡定数KPを求めなさい。
(c) By calculating ∆G, determine if the evaporation of water at 298 K is spontaneous when the partial pressure of water, PH2O, is 0.011 atm.
(c) ∆Gを計算し、水の分圧PH2O,が0.011 atmのとき、298 Kでの水の蒸発が自発的かどうかを求めなさい。
(d) If the evaporation of water were always nonspontaneous at room temperature, wet laundry would never dry when placed outside. In order for laundry to dry, what must be the value of PH2O in the air?
英語のヒント
(d) 水の蒸発が室温で常に非自発的であるならば、濡れた洗濯物を外に置いても決して乾かないだろう。洗濯物が乾くためには、空気中のPH2Oはどのような値でなければならないか。
Solution解き方
(a) Under standard thermodynamic conditions, the evaporation is nonspontaneous; (b) Kp = 0.031; (c) The evaporation of water is spontaneous; (d) PH2O must always be less than Kp or less than 0.031 atm. 0.031 atm represents air saturated with water vapor at 25 °C, or 100% humidity.
英語のヒント
(a) 標準の熱力学的条件では、蒸発は非自発的である。(b) Kp = 0.031。(c) 水の蒸発は自発的である。(d) PH2Oは、常にKp未満、すなわち0.031 atm未満でなければならない。0.031 atmは、25 °Cで水蒸気により飽和した空気、すなわち湿度100%を表す。
Exercise 61問題 61
In glycolysis, the reaction of glucose (Glu) to form glucose-6-phosphate (G6P) requires ATP to be present as described by the following equation:
Glu+ATP⟶G6P+ADPΔG°=−17 kJ
英語のヒント
解糖では、グルコース(Glu)が反応してグルコース6-リン酸(G6P)を生成するために、次の式で表されるように、ATPが存在する必要がある。Glu+ATP⟶G6P+ADPΔG°=−17 kJ
In this process, ATP becomes ADP summarized by the following equation:
ATP⟶ADPΔG°=−30 kJ
この過程では、次の式にまとめられるように、ATPがADPになる。ATP⟶ADPΔG°=−30 kJ
Determine the standard free energy change for the following reaction, and explain why ATP is necessary to drive this process:
Glu⟶G6PΔG°=?
次の反応の標準自由エネルギー変化を求め、この過程を進めるためにATPが必要な理由を説明しなさい。Glu⟶G6PΔG°=?
Exercise 62問題 62
One of the important reactions in the biochemical pathway glycolysis is the reaction of glucose-6-phosphate (G6P) to form fructose-6-phosphate (F6P):
G6P⇌F6PΔG°=1.7 kJ
英語のヒント
解糖という生化学的経路における重要な反応の一つは、グルコース6-リン酸(G6P)が反応してフルクトース6-リン酸(F6P)を生じる反応である。G6P⇌F6PΔG°=1.7 kJ
(a) Is the reaction spontaneous or nonspontaneous under standard thermodynamic conditions?
(a) 標準の熱力学的条件で、この反応は自発的か非自発的か。
(b) Standard thermodynamic conditions imply the concentrations of G6P and F6P to be 1 M, however, in a typical cell, they are not even close to these values. Calculate ΔG when the concentrations of G6P and F6P are 120 μM and 28 μM respectively, and discuss the spontaneity of the forward reaction under these conditions. Assume the temperature is 37 °C.
英語のヒント
(b) 標準の熱力学的条件は、G6PとF6Pの濃度が1 Mであることを意味する。しかし、通常の細胞では、これらの濃度はこの値に近くさえない。G6PとF6Pの濃度がそれぞれ120 μM、28 μMのときのΔGを計算し、この条件における正反応の自発性を論じなさい。温度は37 °Cと仮定する。
Solution解き方
(a) Nonspontaneous as ΔG°>0; (b) ΔG=ΔG°+RTlnQ, ΔG=1.7×103+(8.314×310×ln28120)=−2.1 kJ. The forward reaction to produce F6P is spontaneous under these conditions.
(a) ΔG°>0;なので非自発的である。(b) ΔG=ΔG°+RTlnQ, ΔG=1.7×103+(8.314×310×ln28120)=−2.1 kJ. F6Pを生じる正反応は、この条件で自発的である。
Exercise 63問題 63
Without doing a numerical calculation, determine which of the following will reduce the free energy change for the reaction, that is, make it less positive or more negative, when the temperature is increased. Explain.
数値計算をせずに、次のうち、温度を上げたときに反応の自由エネルギー変化が減少するもの、すなわち正の値が小さくなるか、より負になるものを判定しなさい。理由を説明しなさい。
(a) N2(g)+3H2(g)⟶2NH3(g)
(a) N2(g)+3H2(g)⟶2NH3(g)
(b) HCl(g)+NH3(g)⟶NH4Cl(s)
(b) HCl(g)+NH3(g)⟶NH4Cl(s)
(c) (NH4)2Cr2O7(s)⟶Cr2O3(s)+4H2O(g)+N2(g)
(c) (NH4)2Cr2O7(s)⟶Cr2O3(s)+4H2O(g)+N2(g)
(d) 2Fe(s)+3O2(g)⟶Fe2O3(s)
(d) 2Fe(s)+3O2(g)⟶Fe2O3(s)
Exercise 64問題 64
When ammonium chloride is added to water and stirred, it dissolves spontaneously and the resulting solution feels cold. Without doing any calculations, deduce the signs of ΔG, ΔH, and ΔS for this process, and justify your choices.
英語のヒント
塩化アンモニウムを水に加えてかき混ぜると、自発的に溶け、できた溶液は冷たく感じられる。計算をせずに、この過程のΔG、ΔH、ΔSの符号を推論し、その判断の根拠を示しなさい。
Solution解き方
ΔG is negative as the process is spontaneous. ΔH is positive as with the solution becoming cold, the dissolving must be endothermic. ΔS must be positive as this drives the process, and it is expected for the dissolution of any soluble ionic compound.
この過程は自発的なので、ΔGは負である。溶液が冷たくなることから、溶解は吸熱的でなければならず、ΔHは正である。ΔSがこの過程を進めているので、ΔSは正でなければならない。また、これは可溶性のイオン化合物が溶解する場合には、いずれも予想されることである。
Exercise 65問題 65
An important source of copper is from the copper ore, chalcocite, a form of copper(I) sulfide. When heated, the Cu2S decomposes to form copper and sulfur described by the following equation:
Cu2S(s)⟶Cu(s)+S(s)
英語のヒント
銅の重要な供給源の一つは、硫化銅(I)の一形態である銅鉱石、輝銅鉱である。Cu2Sを加熱すると、次の式で表されるように分解して銅と硫黄を生じる。Cu2S(s)⟶Cu(s)+S(s)
(a) Determine ΔG° for the decomposition of Cu2S(s).
(a) Cu2S(s)の分解のΔG°を求めなさい。
(b) The reaction of sulfur with oxygen yields sulfur dioxide as the only product. Write an equation that describes this reaction, and determine ΔG° for the process.
(b) 硫黄と酸素の反応では、二酸化硫黄だけが生成物として生じる。この反応を表す式を書き、この過程のΔG°を求めなさい。
(c) The production of copper from chalcocite is performed by roasting the Cu2S in air to produce the Cu. By combining the equations from Parts (a) and (b), write the equation that describes the roasting of the chalcocite, and explain why coupling these reactions together makes for a more efficient process for the production of the copper.
英語のヒント
(c) 輝銅鉱から銅を製造する際には、Cu2Sを空気中で焙焼してCuを生成させる。(a)と(b)の式を組み合わせ、輝銅鉱の焙焼を表す式を書きなさい。また、これらの反応を連結することで、銅の製造がより効率的な過程になる理由を説明しなさい。
Exercise 66問題 66
What happens to ΔG (becomes more negative or more positive) for the following chemical reactions when the partial pressure of oxygen is increased?
次の化学反応で、酸素の分圧を増加させると、ΔGはどうなるか(より負になるか、より正になるか)。
(a) S(s)+O2(g)⟶SO2(g)
(a) S(s)+O2(g)⟶SO2(g)
(b) 2SO2(g)+O2(g)⟶2SO3(g)
(b) 2SO2(g)+O2(g)⟶2SO3(g)
(c) HgO(s)⟶Hg(l)+O2(g)
(c) HgO(s)⟶Hg(l)+O2(g)
Solution解き方
(a) Increasing the oxygen partial pressure will yield a decrease in Q and ΔG thus becomes more negative. (b) Increasing the oxygen partial pressure will yield a decrease in Q and ΔG thus becomes more negative. (c) Increasing the oxygen partial pressure will yield an increase in Q and ΔG thus becomes more positive.
(a) 酸素分圧を増加させるとQは減少し、したがってΔGはより負になる。(b) 酸素分圧を増加させるとQは減少し、したがってΔGはより負になる。(c) 酸素分圧を増加させるとQは増加し、したがってΔGはより正になる。
Gibbs free energy change (G)
ギブズ自由エネルギー変化(G)
thermodynamic property defined in terms of system enthalpy and entropy; all spontaneous processes involve a decrease in G
系のエンタルピーとエントロピーを用いて定義される熱力学的性質。自発的な過程はすべてGの減少を伴う。
standard free energy change (ΔG°)
標準自由エネルギー変化(ΔG°)
change in free energy for a process occurring under standard conditions (1 bar pressure for gases, 1 M concentration for solutions)
標準条件(気体では1 barの圧力、溶液では1 Mの濃度)で起こる過程の自由エネルギー変化。
standard free energy of formation (ΔGf°)
標準生成自由エネルギー(ΔGf°)
change in free energy accompanying the formation of one mole of substance from its elements in their standard states
標準状態にある構成元素から1モルの物質を生成する際に伴う自由エネルギー変化。