基礎 part３ 化学反応

化学反応

• 化学反応―化学物質が別の化学物質へと変化すること
• 分子・原子の衝突や光の吸収によって起こる
• 酸化反応
  物質が電子を失う反応
  物質が酸素と化合する反応
  物質から水素を取り去る反応
• 還元反応
  物質が電子を受け取る反応
  物質が酸素を奪われる反応
  物質が水素と化合する反応

燃焼反応

• 燃焼反応
  可燃物質と酸素の反応のうち、発熱や発光を伴う反応

反応熱

• 反応熱
  化学反応に伴って出入りする熱
• 反応に伴う熱は、反応の初めと終わりの条件のみで決まり、途中の経路には無関係。（ヘスの法則）
• 定圧での反応熱＝エンタルピーの変化
• 定容での反応熱＝内部エネルギーの変化
• 化合物１モルが完全燃焼するときの熱を燃焼熱という

化学平衡

• 反応の平衡時には、順方向の反応速度と逆方向の反応速度が等しい
• 平衡時に反応物と生成物の構成比が見かけ上変化しない

ル・シャトリエの原理

• ル・シャトリエの原理－平行移動の法則
• 平衡状態にある反応にある変化を与えると、その変化を打ち消す方向に反応が進む
  温度を上げると、熱を吸収する方向
  圧力を上げると、体積が減少する方向
  ある物質の濃度を増やすと、その物質が減少する方向
• 触媒は平衡移動には無関係

反応速度

• 反応速度
  特定物質の濃度が変化する速度
• 温度の上昇により、反応速度も増大
• 温度一定のもとでは、
  一次反応の反応速度は反応物質の濃度に比例する
  反応速度定数は、その反応に固有の定数
• アレニウスの式に基づけば、反応速度定数と絶対温度の逆数は直線関係にある
  活性化エネルギーを求めることができる

半減期

• 半減期
  反応物質の濃度が半分になるのに要する時間
• 一次反応の半減期は初濃度に無関係

触媒

• 触媒
  微量で、反応に必要な活性化エネルギーを減少させ、反応を促進させる物質。
• 自発的に起こらない方向の反応を起こすことはできない。
• 触媒は平衡状態を変えることはない。
• 均一触媒反応：触媒と反応物質が同じ相にある反応。
  不均一触媒反応：触媒と反応物質が異なる相にある反応

電気化学反応

• 電気化学反応
  電子を放出する反応と、電子を受けとる反応を別の場所で行わせ、電子の授受によって全体の反応を行う化学反応
  アノード：電子を放出する反応
  カソード：電子を受けとる反応
• 物質の持つ自由エネルギーを直接電気として取り出せる。
• 外部から電気を与えることにより、逆方向の反応を起こすことができる
  水の電気分解は、水素の燃焼反応の逆反応

電池

• 電池の構成
  電解質、アノード、カソードで構成される。
• 電解質
  溶液中に溶解したとき、陽イオン、陰イオンに解離する化学物質。
• 一次電池―放電はできるが充電はできない電池
  マンガン乾電池、アルカリ乾電池、ニッケル乾電池など
• 二次電池―充電により繰り返し使用できる電池
• 燃料電池―水素と酸素の電気化学的な反応により、継続的に発電できる電池

燃料電池

• 燃料電池は、一般的な電池と同様、電解質、アノード、カソードで構成される
• 固体高分子燃料電池、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、個体酸化物形燃料電池等の種類がある

電極電位

• 電極電位
  電極と電解質溶液との間の電位差
  銅（Cu）の標準電極電位は、亜鉛（Zn）より高い
• 標準電極電位が高い金属は、イオン化傾向が小さい
• 二種類の金属の内、標準電極電位が高い金属が、電池ではプラス側の電極となる
• 燃料電池の理論起電力は熱力学的に求められる
• 燃料電池の電池効率低下の要因
  濃度分極
  電極と電解質界面付近の燃料不足による電圧低下
  オーム損失
  電池の内部抵抗による電圧低下で、電流に比例する

標準反応熱

メタン（CH4）の場合

※標準反応熱→CH4：-75kJ/mol 　H２O：-285kJ/mol 　CO2：-390kJ/mol 　H2：0kJ/mol

化学反応式　CH4　+ ２O2　→　CO2　+　2H２O
　　　　　　左辺（反応系）　　右辺（生成系）

標準反応熱＝｛（1×-390）+（2×-285）｝　－　｛（1×-75）+（2×0）｝
　　　　　　　右辺（生成系）の標準生成熱の和　   －　　左辺（反応系）の標準生成熱の和

=(-960)－（-75）

＝－885

ル・シャトリエの原理

• 平衡状態にある反応にある変化を与えると、その変化を打ち消す方向に反応が進む
• 温度を上げると、熱を吸収する方向
• 圧力を上げると、体積が減少する方向
• ある物質の濃度を増やすと、その物体が減少する方向

温度の変化

• 発熱反応なのか、吸熱反応なのかを確認

• 発熱反応の場合、温度を上げると左方向へ、
  吸熱反応の場合、温度を上げると右方向へ反応が進む

圧力の変化

反応式の物質のモル数を確認（１は省略されている）

CH4　+　H2O　⇄　CO　+　３H2
モル数　１　　　　１　　　１　　　　３
左辺のモル数２、右辺のモル数４
圧力を上げると左方向（モル数を下げる方向）反応が進む

水蒸気量の変化

反応式中のH2Oを確認

CO　+　H2O　⇄　CO2　+　H2
水蒸気比率を上げるとH2Oの分圧が減る方向（左）へ反応が進む

半減期

• 半減期
  反応物質の濃度が半分になるのに要する時間
• 半減期を3回繰り返すと1/8（1/2×1/2×1/2）、4回繰り返すと1/16（1/2×1/2× 1/2×1/2）になる
  ※積ではなく、累乗