反応エンタルピーと生成エンタルピーの違いは？関係と公式も（計算式：標準反応エンタルピー：熱化学方程式：変換方法など）

化学の学習を進めていくと、必ずと言っていいほどつまずくポイントがあります。

それが反応エンタルピーと生成エンタルピーの違いです。

どちらも「エンタルピー」という言葉がついているため、同じもののように感じてしまう人も多いのではないでしょうか。

しかし実際には、この二つは指している対象がまったく異なります。

反応エンタルピーはある化学反応全体の熱の出入りを表すものです。

一方で生成エンタルピーは、化合物が単体から生成するときに限定した熱の出入りを表しています。

この違いを理解しないまま計算問題に取り組むと、符号のミスや公式の当てはめ間違いを引き起こしがちです。

本記事では、反応エンタルピーと生成エンタルピーの違いは何かという疑問を出発点に、両者の関係や公式、標準反応エンタルピーの求め方、さらには熱化学方程式との変換方法までを丁寧に解説していきます。

高校化学から大学の基礎化学まで幅広く使える内容になっていますので、ぜひ最後まで読み進めてみてください。

反応エンタルピーと生成エンタルピーの違いとは

それではまず、反応エンタルピーと生成エンタルピーの違いについて、結論から解説していきます。

結論を先に言うと、反応エンタルピーはあらゆる化学反応における熱の出入りを表す一般的な概念です。

それに対して生成エンタルピーは、単体から化合物が生成する反応に限定した熱の出入りを表す、いわば反応エンタルピーの一種と考えることができます。

つまり生成エンタルピーは反応エンタルピーに含まれる、特殊なケースなのです。

反応エンタルピーとは

反応エンタルピーとは、化学反応が起こる際に系が吸収または放出する熱量を、定圧条件下でのエンタルピー変化として表したものです。

燃焼反応や中和反応、溶解反応など、対象となる反応の種類に制限はありません。

記号としてはΔHで表され、単位はキロジュール毎モルが一般的でしょう。

生成エンタルピーとは

生成エンタルピーとは、単体から化合物1モルが生成するときのエンタルピー変化のことです。

たとえば黒鉛と酸素から二酸化炭素が生成する反応が、生成エンタルピーの代表例といえます。

この生成エンタルピーは、後述する標準反応エンタルピーを求める際の基礎データとして非常に重要な役割を果たします。

両者の決定的な違い

両者の決定的な違いは、対象とする反応の範囲にあります。

反応エンタルピーはどんな反応にも使える広い概念であるのに対し、生成エンタルピーは単体から化合物が生まれる反応だけに限定されるのです。

この範囲の違いを意識できているかどうかで、応用問題への対応力は大きく変わってくるでしょう。

反応エンタルピーの基礎知識

続いては、反応エンタルピーの基礎知識について確認していきます。

反応エンタルピーの定義

反応エンタルピーは、定圧条件下で反応が進むときに、生成物のエンタルピーの合計から反応物のエンタルピーの合計を引いた値として定義されます。

式で表すと、ΔH イコール 生成物のエンタルピーの総和 引く 反応物のエンタルピーの総和、となります。

この値が負であれば発熱反応、正であれば吸熱反応と判断できるのです。

発熱反応と吸熱反応

発熱反応とは、反応が進むことで周囲へ熱が放出される反応のことです。

燃焼反応の多くは発熱反応に分類され、反応エンタルピーは負の値になります。

逆に吸熱反応は周囲から熱を吸収する反応であり、反応エンタルピーは正の値をとるでしょう。

氷が溶ける融解や、一部の分解反応などが吸熱反応の代表例です。

反応エンタルピーの求め方

反応エンタルピーを求める方法はいくつかあります。

実験的にはボンベ熱量計などを用いて、反応前後の温度変化から直接測定することが可能です。

理論的には、後述するヘスの法則を利用し、生成エンタルピーのデータから計算で導き出す方法が広く使われています。

結合エネルギーを利用して反応エンタルピーを推定する方法も、大学レベルの化学ではよく登場するでしょう。

生成エンタルピーの基礎知識

続いては、生成エンタルピーの基礎知識について確認していきます。

生成エンタルピーの定義

生成エンタルピーは、最も安定な単体から目的の化合物1モルが生成するときのエンタルピー変化です。

この定義には、反応物が必ず単体であるという明確な条件が含まれています。

逆に言えば、化合物同士から別の化合物が生成する反応は、生成エンタルピーの定義には当てはまりません。

標準生成エンタルピーとは

標準生成エンタルピーとは、標準状態、つまり25度で1気圧という条件下で測定された生成エンタルピーのことを指します。

記号はΔH°fで表され、fはformation、つまり生成を意味する英単語の頭文字です。

教科書や資料集に載っている数値のほとんどは、この標準状態での値であることを覚えておきましょう。

単体の生成エンタルピーがゼロになる理由

興味深いことに、最も安定な単体の標準生成エンタルピーは、常にゼロと定義されています。

なぜでしょうか。

それは、単体がそれ自身から生成する反応は変化そのものが存在せず、エンタルピー変化も生じないと考えられるためです。

たとえば酸素分子や黒鉛、窒素分子などは、いずれも標準生成エンタルピーがゼロと定められています。

このゼロという基準があるからこそ、化合物同士の相対的なエンタルピーを比較できるようになるのです。

反応エンタルピーと生成エンタルピーの関係

続いては、反応エンタルピーと生成エンタルピーの関係について確認していきます。

ヘスの法則との関わり

反応エンタルピーと生成エンタルピーをつなぐ重要な理論が、ヘスの法則です。

ヘスの法則とは、反応の経路にかかわらず、始めの状態と終わりの状態が同じであれば、全体のエンタルピー変化は一定であるという法則を指します。

この法則があるからこそ、直接測定が難しい反応でも、生成エンタルピーのデータを組み合わせて間接的に反応エンタルピーを求められるのです。

標準反応エンタルピーの計算式

標準反応エンタルピーは、次の公式によって求めることができます。

具体的な計算例

実際に数値を当てはめて、標準反応エンタルピーを計算してみましょう。

メタンの燃焼反応を例にとります。

このように、生成エンタルピーの表さえあれば、実験を行わなくても反応エンタルピーを求められる点が大きなメリットといえるでしょう。

酸素のような単体は標準生成エンタルピーがゼロなので、計算式に含める必要がありません。

比較項目	反応エンタルピー	生成エンタルピー
対象となる反応	あらゆる化学反応	単体から化合物が生成する反応のみ
記号	ΔH	ΔHf
標準状態での記号	ΔH°	ΔH°f
単体の値	反応により異なる	常にゼロ
主な用途	反応全体の発熱吸熱の判定	反応エンタルピーの算出に利用

熱化学方程式との変換方法

続いては、熱化学方程式との変換方法について確認していきます。

熱化学方程式の書き方

以前の学習指導要領では、反応エンタルピーではなく熱化学方程式という表記が主流でした。

熱化学方程式は、化学反応式の右辺に発生または吸収する熱量をプラスまたはマイナスの符号付きで書き加える形式です。

たとえば黒鉛が燃焼する反応であれば、C(黒鉛) プラス O2(気) イコール CO2(気) プラス 394キロジュール、という書き方になります。

熱化学方程式からエンタルピー変化を読み取る方法

熱化学方程式からエンタルピー変化を読み取る際には、符号の扱いに注意が必要です。

熱化学方程式で右辺にプラスの熱量が書かれている場合、それは発熱反応を意味します。

発熱反応であれば、対応するエンタルピー変化ΔHはマイナスの値になるのです。

逆にマイナスの熱量が書かれていれば吸熱反応であり、ΔHはプラスの値に対応します。

エンタルピー表記への変換のポイント

熱化学方程式をエンタルピー表記に変換する際のポイントは、符号を反転させることに尽きます。

また、熱化学方程式では等号を使っていましたが、エンタルピー表記では矢印を使う点も見逃せない違いでしょう。

単位についても、熱化学方程式ではキロジュールのみで表記されることが多いのに対し、エンタルピー表記ではキロジュール毎モルという物質量あたりの単位で表す点に注意が必要です。

この変換ルールを一度覚えてしまえば、古い問題集の熱化学方程式も現行のエンタルピー表記も、どちらも問題なく読み解けるようになるはずです。

反応エンタルピーと生成エンタルピーを学ぶ際の注意点

続いては、反応エンタルピーと生成エンタルピーを学ぶ際の注意点について確認していきます。

符号の間違いに注意

最も多いミスは、やはり符号の間違いでしょう。

発熱反応なのにプラスの値を使ってしまったり、標準反応エンタルピーの計算式で生成物と反応物を逆にしてしまったりするケースが目立ちます。

計算のたびに、発熱反応であれば負の値になるはずだという感覚を意識的に確認する習慣をつけましょう。

単位と物質量のミス

単位や物質量の見落としも、頻出のミスといえます。

生成エンタルピーは1モルあたりの値であるため、反応式の係数が1でない場合には、その係数をかけ忘れないようにしなければなりません。

先ほどのメタン燃焼の例でも、水の生成エンタルピーに係数の2をかけている点を思い出してください。

この係数の掛け忘れは、計算問題における定番の失点ポイントです。

標準状態の条件を忘れない

標準反応エンタルピーや標準生成エンタルピーを扱う際には、標準状態という条件を忘れてはいけません。

標準状態は25度、1気圧という条件を指し、この条件が変わればエンタルピーの値も変化する可能性があるのです。

資料集の数値を使うときは、それが本当に標準状態でのデータなのかどうかを確認する癖をつけておくと安心でしょう。

温度や圧力の条件次第で数値が変わり得るという性質を、常に頭の片隅に置いておいてください。

まとめ

今回は、反応エンタルピーと生成エンタルピーの違いは何かというテーマを中心に、両者の関係や公式、熱化学方程式との変換方法まで幅広く解説してきました。

反応エンタルピーはあらゆる化学反応の熱の出入りを表す広い概念であり、生成エンタルピーは単体から化合物が生成する反応に限定した特別な値です。

そして標準反応エンタルピーは、生成物の標準生成エンタルピーの合計から反応物の標準生成エンタルピーの合計を引くことで求められます。

この関係とヘスの法則を組み合わせれば、実験が難しい反応であっても計算だけで反応エンタルピーを導き出せるのです。

さらに、旧課程の熱化学方程式と現行のエンタルピー表記との間には符号の反転という明確なルールが存在するため、この点さえ押さえれば両方の表記を行き来することは決して難しくありません。

符号や係数、標準状態といった細かい注意点にさえ気をつければ、反応エンタルピーと生成エンタルピーは決して混同するような難しい概念ではなくなるでしょう。

ぜひ今回の内容を参考に、公式や計算例を自分の手で何度も書き出しながら、理解を確かなものにしていってください。