高校化学 Unit 05

反応エンタルピーとヘスの法則

化学反応で出入りする熱を正確に計算するには？エンタルピーとヘスの法則で経路に依らない計算を身につけよう。

🔥 反応エンタルピー⚖️ ヘスの法則📊 エネルギー図

反応エンタルピーの種類

ガスコンロで都市ガスを燃やすと熱くなる。これは反応が熱を「出す」反応(発熱反応)だからだ。逆に、瞬間冷却パックのように、水に硝酸アンモニウムを溶かすと周りが冷たくなる変化もある。これは熱を「吸う」反応(吸熱反応)。

化学反応にともなって出入りする熱の量を数値化したものを反応エンタルピー(ΔH)とよぶ。発熱反応ならΔHはマイナス、吸熱反応ならΔHはプラスの値になる、という約束になっている。

化学反応にともなう熱の出入りを反応エンタルピー ΔH で表す。発熱反応では ΔH < 0、吸熱反応では ΔH > 0。反応エンタルピーには生成・燃焼・中和・溶解など種類があり、それぞれ基準条件（25°C, 1 atm）での値が定義されている。

🔥 主な反応エンタルピーの定義

種類	定義	例
生成エンタルピー	単体から1 molの化合物を生成するときのΔH	H₂(g) + ½O₂(g) → H₂O(l) ΔH = −286 kJ
燃焼エンタルピー	1 molの物質が完全燃焼するときのΔH（常に負）	C(s) + O₂(g) → CO₂(g) ΔH = −394 kJ
中和エンタルピー	酸と塩基の中和で水1 molが生成するときのΔH	H⁺(aq) + OH⁻(aq) → H₂O(l) ΔH ≈ −57 kJ
溶解エンタルピー	1 molの物質が溶媒に溶けるときのΔH	NH₄NO₃(s) → NH₄⁺(aq) + NO₃⁻(aq) ΔH = +25 kJ（吸熱）
結合エンタルピー	気体分子の共有結合1 molを切断するときのΔH（常に正）	H₂(g) → 2H(g) ΔH = +436 kJ

❌ よくある誤解

誤:発熱反応はΔHがプラスの値になる(熱を「出す」のだからプラスのイメージ) 正:発熱反応はΔH<0(マイナス)。反応系が持っていたエネルギーの一部を周囲に放出して系のエンタルピーが減少するため、ΔH(生成物−反応物)はマイナスになる

ΔHは「反応物と生成物、どちらがエネルギーを多く持っているか」の差(生成物−反応物)。熱を周囲に出す=系のエネルギーが減る=マイナス、と覚える。

誤:結合エンタルピーは結合を「作る」ときに吸収するエネルギー正:結合エンタルピーは共有結合を「切る」ために必要なエネルギーであり、常に正の値。逆に結合が「できる」ときは同じ大きさのエネルギーが放出される

結合エンタルピーの定義(切断のエネルギー)を逆に覚えると、ヘスの法則を使った計算で符号を間違えやすい。

💡 なぜ反応によって熱を出したり吸ったりするのか? 化学反応とは、原子間の結合の組み替えである。結合を切るには常にエネルギー(結合エンタルピー分)が必要で、結合ができるときには同じ大きさのエネルギーが放出される。反応全体で見て「新しくできる結合の強さの合計」が「切れる結合の強さの合計」より大きければ、差分のエネルギーが熱として放出される(発熱反応)。逆に切れる結合の方が強ければ、周囲から熱を吸収しないと反応が進まない(吸熱反応)。

ヘスの法則とエネルギー図

山の麓から頂上まで登るとき、まっすぐ登っても、ジグザグに遠回りしても、最終的に登った標高(高さの差)は同じになる。銀行口座も同じで、途中で何度も入金・出金を繰り返しても、最初と最後の残高の差は、その入出金の合計と必ず一致する。

化学反応の熱の出入りも同じ考え方が成り立つ。反応の「始まり」と「終わり」が同じであれば、途中でどんな経路(何段階の反応)を通っても、出入りする熱の合計は変わらない。これをヘスの法則という。

ヘスの法則（総熱量保存の法則）：反応の経路に関わらず、反応前後の状態が同じなら ΔH の総和は一定。これを使うと、直接測定できない反応のΔHを間接的に求めることができる。

図2：ヘスの法則の例。C → CO₂ の ΔH は、C → CO → CO₂ の2段階の ΔH の和に等しい。

📐 ヘスの法則を使った計算のコツ

求めたい反応式を「ターゲット」とし、与えられた反応式を足し引きして組み合わせる
反応式を逆にすると ΔH の符号が逆転する
反応式を c 倍すると ΔH も c 倍になる
すべての成分（左辺・右辺）が正しく消去されているか確認する

❌ よくある誤解

誤:反応の経路(何段階で反応が進むか)によって、最終的な熱の出入りの合計は変わる正:ヘスの法則により、反応の始状態と終状態が同じであれば、経路によらずΔHの総和は一定になる

エンタルピーは「状態量」であり、始点と終点だけで決まる。途中の道筋(反応機構)には依存しない。

誤:反応式を逆向きに書いても、反応そのものは変わらないのでΔHの符号もそのまま正:反応式を逆にすると、発熱⇄吸熱が入れ替わるため、ΔHの符号も反転させる必要がある

例えば A→B(ΔH=−100kJ)なら、B→A のΔHは+100kJになる。エネルギー図の矢印の向きを逆にすると考えるとわかりやすい。

💡 なぜヘスの法則が成り立つのか? エンタルピーは、物質がどんな経路でその状態になったかに関係なく、その時点の物質の状態だけで決まる「状態量」である。したがって反応の始まりの状態(反応物)と終わりの状態(生成物)が同じであれば、途中の経路によらずエンタルピーの変化量(ΔH)は等しくなる。これはエネルギー保存の法則の化学反応版と考えられる。

結合エンタルピーのデータを使えば、ヘスの法則の考え方で気体分子どうしの反応エンタルピーを見積もることができる。ΔH = (反応物の結合エンタルピーの総和) − (生成物の結合エンタルピーの総和)、すなわち「切る結合のエネルギー総和」から「作る結合のエネルギー総和」を引く。計算問題頻出

🧮 実例計算:結合エンタルピーからΔHを求める

H₂(g) + Cl₂(g) → 2HCl(g) の ΔH を、結合エンタルピー(H–H=436, Cl–Cl=242, H–Cl=431 kJ/mol)から求める。

過程	計算
切れる結合(反応物)	H–H(436) + Cl–Cl(242) = 678 kJ
できる結合(生成物)	H–Cl × 2(431×2) = 862 kJ
ΔH	678 − 862 = −184 kJ

実測値(HCl生成エンタルピー−92.3 kJ/molの2倍)は−184.6 kJであり、結合エンタルピーからの見積もりとよく一致する。

🎯 入試での問われ方エネルギー図(ヘスの法則の図)を自分で描かせて、複数の反応式からターゲットの反応式のΔHを導出させる問題が頻出。また、結合エンタルピーの表を与えて未知の反応エンタルピーを計算させる問題は、有機化学の反応(燃焼熱など)とも組み合わせて出題されることが多い。

🎯 練習問題

まず自分で解いてから、「答えを見る」を押して確かめよう。

問1 ★ 反応エンタルピーの符号

発熱反応の反応エンタルピー ΔH の符号は、正と負のどちらか。

ア正（ΔH > 0）
イ負（ΔH < 0）

答えを見る

答えイ

発熱反応では、反応後のエンタルピーが小さくなる。

問2 ★★ 反応エンタルピーと物質量

H₂(気) + ½O₂(気) → H₂O(液)　ΔH = −286 kJ である。水素 2.0 mol が完全燃焼して液体の水になるとき、放出される熱量は何kJか。

答えを見る

答え572 kJ

水素 1 mol あたり 286 kJ の熱が出る。

問3 ★★ 燃焼と熱量

炭素（黒鉛）の燃焼エンタルピーは −394 kJ/mol である。炭素 6.0 g が完全燃焼するとき、放出される熱量は何kJか。炭素の原子量は12とする。

答えを見る

答え197 kJ

炭素 6.0 g は 0.50 mol。394 × 0.50。

問4 ★★ ヘスの法則

次の2つの反応エンタルピーから、SO₂(気) + ½O₂(気) → SO₃(気) の ΔH を求めよ。
S(固) + O₂(気) → SO₂(気)　ΔH = −297 kJ
S(固) + 3/2 O₂(気) → SO₃(気)　ΔH = −395 kJ

答えを見る

答え−98 kJ

2つ目の式から1つ目の式を引く。−395 − (−297)。

問5 ★★★ 逆反応の反応エンタルピー

H₂(気) + ½O₂(気) → H₂O(液)　ΔH = −286 kJ である。2H₂O(液) → 2H₂(気) + O₂(気) の ΔH は何kJか。符号をつけて答えよ。

答えを見る

答え+572 kJ

逆向きにすると符号が反対になり、2倍にすると値も2倍になる。

問6 ★★★ 結合エンタルピー

N₂(気) + 3H₂(気) → 2NH₃(気) の ΔH を、結合エンタルピーから求めよ。結合エンタルピーは、N≡N が 945 kJ/mol、H–H が 436 kJ/mol、N–H が 391 kJ/mol とする。

答えを見る

答え−93 kJ

ΔH = 切る結合の合計 − できる結合の合計。NH₃ 2分子に N–H 結合は6本。

✅ この単元のまとめ

反応エンタルピー ΔH：発熱 → ΔH < 0、吸熱 → ΔH > 0
生成エンタルピー：単体から1 molの化合物を生成するときのΔH
燃焼エンタルピー：1 molが完全燃焼するときのΔH（常に負）
結合エンタルピー：共有結合1 molを切断するためのΔH（常に正）
ヘスの法則：反応経路に関わらずΔHの総和は一定
計算：式を逆転（ΔH 符号反転）・倍加（ΔH 倍加）して目的反応式を作る
結合エンタルピーからΔH = Σ(切る結合) − Σ(作る結合)

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