反応が実用的かどうかを決定する3つの問いがある：発熱か吸熱か、速さはどうか、完了するか。物理化学はこれらに答える — 熱量計法と Q = mcΔT、4つの要因を持つ衝突理論、そして密閉容器内で可逆反応が達する動態平衡。
Edexcel International GCSE Chemistry 4CH1, Section 3 (記述 3.1–3.22C) は短いが計算が多い。C接尾語付きの記述は化学のみに関するもの。
3 · Physical chemistry
Pearson Edexcel · International GCSE · Chemistry · トピック 3
3.1
エネルギー、速度とバランス
語彙
練習する
| English | 日本語 |
|---|---|
| exothermic/eɡzəˈðɜːmɪk/ | 発熱反応 |
| endothermic/ˌendəʊˈθɜːmɪk/ | 吸熱 |
| calorimetry/ˌkælɔːˈrɪmətri/ | 熱量計法 |
| catalyst/ˈkætəlɪst/ | 触媒 |
| collision theory/kəˈlɪʒn ˈθɪəri/ | 衝突理論 |
| activation energy/ˌæktɪˈveɪʃn ˈenədʒi/ | 活性化エネルギー |
| reversible reaction/rɪˈvɜːsɪbl rɪˈækʃn/ | 可逆反応 |
| dynamic equilibrium/daɪˈnæmɪk ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ | 動的平衡 |
3.2
エネルゲティクス（エネルギー変化）
発熱反応は熱を放出する（燃焼、中和、多くの置換反応）— 混合物は温まり、ΔH は負の値となる。吸熱反応は熱を吸収する（熱分解、一部の溶解）— 混合物は冷える。単純な熱量計法: 既知の質量の温度変化を測定する（溶液にはポリスチレンカップ、燃焼には水入りのビーカー下にスピリットバーナーを使用）。
$$Q = mc\Delta T$$
計算例。 50 g の水がスピリットバーナー試験で 24 °C 上昇する: $Q = 50 \times 4.2 \times 24 = 5040$ J。もし 0.010 mol の燃料が燃焼した場合: $\Delta H = -5040/0.010 = -504\,000\ \mathrm{J\,mol^{-1}} = -504\ \mathrm{kJ\,mol^{-1}}$ 。
(C) 結合切断は吸熱的、結合形成は発熱的である。 ΔH = 切断された結合 − 形成された結合。 計算例。 H₂ + Cl₂ → 2HCl: 切断 436 + 242 = 678; 形成 2 × 431 = 862; ΔH = 678 − 862 = −184 kJ/mol （発熱）。
探索
Solution and reaction: opposite heat changes
$q_{solution}=mc\Delta T,\quad q_{reaction}=-q_{solution}$
Connect opposite heat changes in the solution and reaction, using the page’s worked quantities to turn a temperature change into an energy estimate.
3.3
反応速度
実験は視覚的に確認可能な反応を追跡する: 気体体積（大理石＋酸）、天平での質量減少、あるいは消える十字（チオ硫酸ナトリウム＋酸）。4つの要因: 固体の表面積、濃度（または気体圧力）、温度、および触媒。
衝突理論はこれら全てを説明する: 反応には、最低限の活性化エネルギーを持った衝突が必要である。粉末状にすることで露出表面積が増加し、一秒あたりの衝突数が増加する; 濃度を上げたり圧力を上げたりすることで粒子が密集し、衝突頻度が増加する; 温度を上げると粒子の速度が増加し、衝突も頻繁になり、かつエネルギーも高くなる — この三つの中で、分数として活性化エネルギー以上の衝突を増やす唯一の要因は温度onlyである。触媒は低い活性化エネルギーを持つ代替経路を提供し、成功する衝突の数が増える — 反応終了後も化学的には変化せず、生成物の量を変えるのではなく、生成の速さを変えるのみである。
探索
An interval mean differs from a tangent rate
Compare the worked 10 to 34 cm³ interval with a tangent; increasing model speed keeps the final volume fixed.
3.4
可逆反応と平衡
可逆反応（⇌）は両方向に進行する: 水和酸化銅(II) sulfate ⇌ 無水塩＋水（熱は進行を促進、水は逆反応を促す）、加熱時のアンモニア塩化アンモニウム ⇌ アンモニア＋塩化水素。(C) 密閉容器内では動態平衡に達する: 正反応と逆反応の速度は等しく、全濃度は一定 — 両方の反応は依然として進行中である。
(C) 温度上昇 → 平衡は吸熱反応の方向へ移動します；圧力上昇 → 気体のモル数が少ない側へ移動します；触媒は両方向を同様に速くし、平衡位置は変わりません。
探索
Equal rates do not require equal amounts
$A\rightleftharpoons B$
In this closed A ⇌ B model, a catalyst changes how quickly equilibrium is reached, not its final composition.
3.5
自己チェック
- 発熱・吸熱に分類せよ：燃焼、熱分解、中和反応。
- 100 g の水が溶解実験で 8.0 °C 冷却された。Q を計算せよ。
- (C) 結合切断および結合形成における ΔH の符号を述べよ。
- 結合エネルギーを用いて、2H₂ + O₂ → 2H₂O のΔHを求める（H–H 436, O=O 498, O–H 463 kJ/mol）。
- 粉末状の大理石と酸の反応が、大きな破片よりも速い理由は何か。
- 表面積、濃度、温度のうち、成功する衝突の比率を増加させるものはどれか、またその理由を述べよ？
- 触媒を定義せよ。
- (C) 動的平衡の2つの特徴を述べよ。
- (C) N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃: 圧力を上げるとどうなり、なぜか。
- (C) 触媒が平衡位置を変えない理由は何か。
答え: 1 発熱（燃焼）、吸熱（熱分解）、発熱（中和反応）；2 $Q = 100 \times 4.2 \times 8.0 = 3360$ J 吸収 — 水が冷えるので、溶解は吸熱である；3 (C) 切断は正（吸熱）、形成は負（発熱）；4 切断：2(436) + 498 = 1370；形成：4(463) = 1852；ΔH = 1370 − 1852 = −482 kJ/mol（2 mol H₂O あたり）；5 粉は表面積がはるかに大きいため、秒あたりの酸との衝突数が多い；6 温度 — 粒子が速く衝突する頻度が増加するだけでなく、活性化エネルギーを超える衝突も増える；7 反応速度を上げるものの、反応後に化学的に変化しない物質；8 (C) 正逆反応速度が等しい；全物質の濃度が一定；9 (C) 右へ移動 — 左側に4モルの気体、右側に2モルの気体があるため、高圧ではモル数の少ない側が有利になる。
答え続: 10 (C) 正逆反応の活性化エネルギーを同様に下げ、両方の速度を速くするが、そのバランスは変わらないため。