物理・化学の基礎５

こんにちは、あさとです。

今日も危険物の勉強をしていきましょう。

今日は酸化と還元について、化学変化と熱について勉強していきます。

まず酸化と還元についてです。

物質が酸素とくっつくことを酸化といい、酸化によってできた物質を酸化物と言います。

例えば鉄が酸化すれば酸化鉄ができます。酸化鉄が酸化物になるということです。

物質によっては酸化が急激に進行して、その時に発熱と発光が起きる場合があります。このことを燃焼と言います。

酸化の例のとしては、先ほどの鉄と酸素が反応して酸化鉄になるという反応だったり、炭素と酸素が反応して二酸化炭素になったりする反応だったりがあります。

逆にこの酸化物から酸素が失われることを還元と言います。

二酸化炭素が熱せられた炭素に触れて一酸化炭素になるという反応が還元の例です。

ここで一つ押さえておきたいのは、酸化と還元は必ず同時に起こるということです。

二酸化炭素と炭素が反応して一酸化炭素ができるという反応では、二酸化炭素から見れば、くっついている酸素が２個から１個に減っているので、還元です。

しかし、炭素から見ればくっついている酸素が０個から１個に増えているので酸化ということができます。

酸化と還元は必ず同時におきていることは大事なので覚えておいてください。

酸化と還元は、広い意味では水素と関係する化学反応でも使われます。

水素の場合は水素を失うことを酸化、水素とくっつくことを還元と言います。

酸素の場合と逆ですね。

例としては硫化水素が塩素と反応して塩化水素と硫黄ができるという反応があります。

この場合は、硫化水素は水素を失って硫黄になっているので、酸化が起きているのです。

逆に塩素は水素とくっついているので、還元が起きているということができます。

ここでも酸化と還元は同時に起きていることに注意してください。

さて、ここで、酸化剤と還元剤というお話しをします。

酸化剤とは、相手を酸化させる特徴を持った物質です。自分が酸化するのではなく、相手を酸化させるということに注意してください。

逆を言えば、自分は還元されるのです。

酸素が例です。鉄と酸素を混ぜると、酸化鉄ができて鉄は酸化されますよね。酸素は相手を酸化しているので酸化剤ということになります。

還元剤とは、相手を還元させる特徴を持った物質です。こちらは自分が酸化されるという特徴を持っています。

例としては水素、一酸化炭素、ナトリウムなどが例です。

酸化剤と還元剤という言葉がどういう意味なのかをしっかりと覚えておいてください。

さて、ここからは化学変化と熱についてです。

物質がくっつくことを化合といい、物質が離れることを分解と言います。

このような化合や分解などの化学反応が起きるときは、大抵の場合、熱の発生や吸収が起こります。

この時の熱量を反応熱と言います。

反応熱には、４種類あります。

まず、燃焼熱です。

これは１モルの物質が燃焼する時の反応熱です。

次に生成熱です。

これは複数の単体の物質が化合して１molの化合物ができるときの反応熱です。

先ほどの燃焼熱は1molの物質が燃焼する時の熱ですが、生成熱は1molの物質ができる時の熱です。できるものというところが違うことを押さえておいてください。

次に、中和熱です。

これは酸と塩基が中和され、１molの水ができる時の反応熱のことです。こちらも中和によってできた水が1molの時の反応熱です。

最後に溶解熱です。

これはアルコールなどの溶媒に1molの物質を溶かしたときに発生または吸収する熱量のことです。

こちらは溶かした物質が1molの時の熱量ですね。

これは覚えるしかないので、どんな反応熱の種類があるのかを覚えてください。

次に熱化学方程式について見ていきます。

化学反応によって生じる反応熱は熱化学方程式で表すことができます。

例えば炭素と酸素が反応して二酸化炭素ができる時の熱化学方程式は

C＋O2＝CO2＋３９４kJとなります。これは１molの炭素が完全燃焼して、二酸化炭素と３９４kJの燃焼熱が生じますよという意味です。

＋３９４kJの発熱があるということですね。

このような熱化学方程式は覚える必要はないです。

ただ、この式を見てどのようなことが起きているかは分かるようにならなければいけません。

もう一つ例を見て見ましょう。

窒素と酸素が反応して一酸化窒素ができる反応です。

これはN2+0２＝２NO－１８０kJとなります。

先ほどの炭素と酸素の反応だと＋３９４kJの熱が出ていたということですが、

今回の反応は－１８０kJの熱が出ている、つまり、１８０kJの熱が失われているという意味です。

このように熱が失われる反応もあるのです。

そして、熱が失われる反応を吸熱反応、逆に熱が放出される反応を発熱反応と言います。

すごく大事なポイントです。覚えておきましょう。

次に、物質の反応熱を求める決められた方を紹介します。

問題で出ることもあると思うので、ぜひ理解してください。

それが、反応熱＝生成物の生成熱の和ー反応物の生成熱の和という式です。

例としてメタンと酸素が反応して二酸化炭素と水ができるという反応を見ていきましょう。

CH4＋２O2がCO2＋２H2Oという化学反応式になります。

ここでいうCO2と水が生成物できる。最終的に生成されるものですね。

一方メタンと酸素は反応物です。反応するものですね。

ここで各物質の１モルあたりの生成寝るはメタンが７５kJ、二酸化炭素が３９４kJ、水が２８６kJとします。

この時に注意して欲しいのが、単体の物質の生成熱はゼロということです。

だから今回の場合酸素の生成熱はゼロです。

生成物の生成熱は二酸化炭素の生成熱と水の生成熱の和です。

今回の場合、二酸化炭素は１モル、水は２モルできているので、１かける３９４kJ＋２かける２８６KJとなり、生成物の生成熱は９６６kJとなります。

次に、反応物の生成熱は、メタンの生成熱が７５kJで酸素の生成熱は0kJなので、合計で7５kJです。

最後に生成物の生成熱の合計から反応物の生成熱の合計を引くと、９６６kJー７５kJで８９１KJとなります。

これがメタンと酸素から二酸化炭素と水ができる反応の燃焼熱です。

熱化学方程式にすると

CH4+2O2＝CO2＋２H”O＋８９１kJとなります。

次にヘスの法則について話しします。

ヘスの法則とは、反応物が生成物になるときの反応熱は途中の経路にかかわらず一定ということです。

よくわからないと思うので、例を用いて説明します。

まず炭素から一酸化炭素ができる時の熱化学方程式は

C＋1/202＝CO＋１１１kJです。次に一酸化炭素から二酸化炭素を生成する時の熱化学方程式は

CO＋1/2O2=CO2+283kJとなります。

ここで炭素から二酸化炭素になる時の熱化学方程式は

C+02＝CO2＋３９４kJとなります。

ここで見て欲しいのは炭素から一酸化炭素になり二酸化炭素になる場合の反応熱は１１１kJと２８３kJで合わせて３９４kJです。

一方炭素からいきなり二酸化炭素になる反応の反応熱も３９４kJです。

このようにどのような反応を辿っても、最初の物質と最後の物質が同じなら反応熱の合計は同じになるのです。

これがヘスの法則です。

こちらも大事な法則なので、覚えておいてください。

今回は以上です。

今回勉強した内容は、動画を何回か見た後、問題を解くとさらに理解が深まると思うのでぜひ問題を解いてみてください。

それではご視聴いただきありがとうございました。

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それではまた次回の動画でお会いしましょう。