反応エンタルピーについて詳しく解説

導入

反応エンタルピー

$$ {\Delta H_{T,p} = \Delta_rH_{(T,p)} . \xi~} $$

反応エンタルピーは、モルあたりのジュールで表されます (

ほとんどの化学反応は一定の圧力で起こるため、反応エンタルピーによって熱の形で放出されるエネルギー量が得られます。

したがって、化学工学においてその有用性は非常に高いです。

負の反応エンタルピーを持つ化学反応は環境に熱を放出するため発熱的であると言われますが、反応エンタルピーが正である化学反応は吸熱的であると言われます。つまり、発生するには熱の入力が必要です。

熱力学的定義

平衡式が次のような化学反応を考えてみましょう。

反応系のエンタルピーHは、独立変数T、p、n ₁ 、n ₂ 、… _ni 、…n _jの関数です。

$$ {H = f (T,p,n_1,n_2,…n_i,…n_j)~} $$

エンタルピー関数は状態関数であり、その合計微分は正確であり、次のように書くことができます。

$$ {dH = \left(\frac{\partial H}{\partial T}\right) dT+ \left(\frac{\partial H}{\partial p}\right) dp + \left(\frac{\partial H}{\partial n_1}\right) dn_1 + \left(\frac{\partial H}{\partial n_2}\right) dn_2 + …\left(\frac{\partial H}{\partial n_i}\right) dn_i + …\left(\frac{\partial H}{\partial n_j}\right) dn_j~} $$

。

反応が一定の温度Tと圧力pで起こる場合:

$$ {dH_{(T,p)} = \left(\frac{\partial H}{\partial n_1}\right) dn_1 + \left(\frac{\partial H}{\partial n_2}\right) dn_2 + …\left(\frac{\partial H}{\partial n_i}\right) dn_i + …\left(\frac{\partial H}{\partial n_j}\right) dn_j~} $$

。

他のすべての変数が定数である場合、各nに関するHの偏導関数は、考慮されている成分の部分モル エンタルピーに対応します。

$$ { \left ( \frac{\partial H}{\partial n_i} \right )_{p,T,n_{j\neq i}} = h_{i(T,p)}~} $$

モル数dnの各変化は、進行状態dξの変化に関連しています。

$$ {\frac {dn_i}{-\nu_i} = \frac {dn_j}{\nu_j} = d\xi ~} $$

各dn をdξの関数としての式に置き換えます。次に、反応物iと生成物jに対応する項をグループ化します。

以下を取得します。

$$ {dH_{(T,p)} = (\sum_{j} \nu_{j}. h_{j(T,p)} – \sum_{i} \nu_{i} h_{i(T,p)})d\xi~} $$

式:

$$ {(\sum_{j} \nu_{j}. h_{j(T,p)} – \sum_{i} \nu_{i} h_{i(T,p)}) = \Delta_{r}H_{(T,p)} ~} $$

一定の T および p で想定される化学反応の反応エンタルピーに対応します。

反応エンタルピー

私たちは、反応物と生成物を区別せずにこの関係を表現することがよくあります。この場合、生成物の化学量論係数は正ですが、反応物の化学量論係数は負です。

$$ {\Delta_{r}H_{(T,p)} = \sum_{i} \nu_{i}.h_{i(T,p)}~} $$

次に、反応系のエンタルピー変化を計算してみましょう。

$$ {dH = \Delta_{r}H_{(T,p)}.d\xi ~} $$

ゼロからξまで変化する進行状態について積分してみましょう。

$$ {\Delta H = \int_{0}^{\xi} \Delta_{r}H_{(T,p)}.d\xi = Q_p} $$

気づいた

• 理想的な反応系 (理想的な希薄溶液とみなされるガス) では、反応中の反応エンタルピーは一定のままです。一定圧力下で作用する熱Q _pに等しい反応系のエンタルピー変化ΔH は、反応エンタルピーと進行状態ξの積に等しくなります。

$$ {\Delta H_{(T,p)} = \Delta_{r}H_{(T,p)}. \xi = Q_p~} $$

。

反応が完了すると、 ξ = 1 molになります。

$$ {\Delta_{r}H_{(T,p)} = Q_p~} $$

。

したがって、反応エンタルピーを知ることで、反応熱を知ることができます。

基準状態の問題

イチジク。 1:反応エンタルピーは、反応生成物 (右) と反応物 (左) の間のエンタルピー差です。この差を計算するには、共通の基準が必要です。

多くの化合物について標準モルエンタルピーが表にまとめられています。したがって、使用する基準状態に注意すれば、差によって反応エンタルピーを計算するのは簡単です (図 1)。エンタルピーには絶対ゼロがないため、化合物のモルエンタルピーに対していくつかの基準状態が定義されています。

高度と同様に、2 点間の高度の差を計算する必要がある場合、それらの高度の差を計算します。暗黙的に、同じ基準状態、つまり海抜高度がゼロであることを使用します。別の基準状態を同様に簡単に使用できますが (たとえば、マリアナ海溝の底の高度がゼロであることを認めることによって)、正しい結果は、一貫性を維持することによってのみ得られます。つまり、出発時に同じ基準枠を使用することによってのみ得られます。そして到着地点。

標準モルエンタルピーの表を作成するために、エンタルピー スケールを次のように定義することにしました。標準状態で安定した単純な純粋体の標準モル エンタルピーは 298 K でゼロです。

例:

$$ { h^0_{298(O_2(g))} = 0~} $$

$$ { h^0_{298(C(graph))} = 0~} $$

ただし、標準生成エンタルピーを使用すると、任意の規則の使用を回避できます。