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Chemical energetics

IGCSE Chemistry · ⁨IGCSE 化学⁩ · Topic 5 · ⁨トピック 5⁩

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5:51

熱力学

スナップスティックを折ると光ります。ハンドウォーマーを握ると温かくなります。インスタントコールドパックを開けると氷のように冷たくなります。いずれの場合も、化学反応は…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨英語ナレーション・英語+中文字幕 burning-in⁩

5.1

Exothermic and endothermic reactions · ⁨発熱反応と吸熱反応⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
Core Supplement
1 State that an exothermic reaction transfers thermal energy to the surroundings leading to an increase in the temperature of the surroundings 4 State that the transfer of thermal energy during a reaction is called the enthalpy change, $\Delta H$, of the reaction. $\Delta H$ is negative for exothermic reactions and positive for endothermic reactions
2 State that an endothermic reaction takes in thermal energy from the surroundings leading to a decrease in the temperature of the surroundings
5 Define activation energy, $E_a$, as the minimum energy that colliding particles must have to react
3 Interpret reaction pathway diagrams showing exothermic and endothermic reactions 6 Draw and label reaction pathway diagrams for exothermic and endothermic reactions using information provided, to include: (a) reactants (b) products (c) enthalpy change of the reaction, $\Delta H$ (d) activation energy, $E_a$
7 State that bond breaking is an endothermic process and bond making is an exothermic process and explain the enthalpy change of a reaction in terms of bond breaking and bond making
8 Calculate the enthalpy change of a reaction using bond energies
日本語
コア サプリメント
1 発熱反応は熱エネルギーを周囲に放出し、周囲の温度を上昇させることを述べる 4 反応中の熱エネルギーの移動を反応エンタルピー変化 $\Delta H$ と呼ぶことを述べる。 $\Delta H$ は発熱反応では負であり、吸熱反応では正である
2 吸熱反応は周囲から熱エネルギーを取り込み、周囲の温度を低下させることを述べる
5 衝突粒子が反応するために必要な最小エネルギーである活性化エネルギー $E_a$ を定義する
3 発熱反応および吸熱反応を示す反応経路図を解釈する 6 与えられた情報を使用して、発熱反応および吸熱反応の反応経路図を描き、以下を含めてラベル付けせよ:(a) 反応物 (b) 生成物 (c) 反応エンタルピー変化 $\Delta H$ (d) 活性化エネルギー $E_a$
7 結合の切断は吸熱過程であり、結合の形成は発熱過程であることを述べ、反応のエンタルピー変化を結合の切断および形成の観点から説明する
8 結合エネルギーを用いて反応のエンタルピー変化を計算する

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English
Reaction profile: exothermic energy change

In every chemical reaction, energy is transferred. The reaction is either exothermic or endothermic, depending on which way the energy moves.

  • An exothermic reaction 放热反应 gives out thermal energy 热能 to the surroundings 环境. So the temperature of the surroundings goes up.
  • An endothermic reaction 吸热反应 takes in thermal energy from the surroundings. So the temperature of the surroundings goes down.

Examples of exothermic reactions are combustion 燃烧 (burning a fuel) and neutralisation 中和 (an acid reacting with an alkali). An example of an endothermic reaction is the thermal decomposition 分解 of a compound (breaking it down using heat).

日本語
反応プロファイル:発熱によるエネルギー変化
キャンプファイアで薪が燃えている様子
薪の燃焼は発熱反応であり、周囲へ熱を放出する。

すべての化学反応において、エネルギーの移動が生じる。エネルギーの向きによって、反応は発熱反応または吸熱反応となる。

  • 発熱反応は熱エネルギーを周囲へ放出するため、周囲の温度は上昇する。
  • 吸熱反応は周囲から熱エネルギーを取り込むため、周囲の温度は低下する。

発熱反応の例として、燃焼(燃料の燃焼)や中和反応(酸とアルカリの反応)がある。吸熱反応の例として、化合物の熱的分解(熱を用いて分解すること)がある。

2本の温度計:発熱反応では目盛りが上がり、吸熱反応では下がっている様子
発熱反応は周囲を温め、吸熱反応は周囲を冷やす
Explore · ⁨探索⁩

Exothermic & endothermic · ⁨発熱反応 & 吸熱反応⁩

ΔH = products − reactants · ⁨ΔH = 生成物 − 反応物⁩

Exothermic drops to lower-energy products (releases heat); endothermic climbs to higher. · ⁨発熱反応は低エネルギーの生成物へと下がり(熱を放出)、吸熱反応は高エネルギー側へ上昇します。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
exothermic reaction/eɡzəˈðɜːmɪk rɪˈækʃn/ 発熱反応
thermal energy/ˈθɜːml ˈenədʒi/ 熱エネルギーに変換する
surroundings/səˈraʊndɪŋz/ 周囲
endothermic reaction/ˌendəʊˈθɜːmɪk rɪˈækʃn/ 吸熱反応
combustion/kəmˈbʌstʃn/ 燃焼反応
neutralisation/ˌnjuːtrəlaɪˈzeɪʃn/ 中和反応
decomposition/ˌdiːkɒmpəˈzɪʃn/ 分解反応
enthalpy change/enˈθælpi tʃeɪndʒ/ エンタルピー変化
activation energy/ˌæktɪˈveɪʃn ˈenədʒi/ 活性化エネルギー
colliding/kəˈlaɪdɪŋ/ 衝突
particles/ˈpɑːtɪklz/ 粒子
reaction pathway diagram/rɪˈækʃn ˈpæθweɪ ˈdaɪəɡræm/ 反応経路図
reactants/rɪˈæktənts/ 反応物である
products/ˈprɒdʌkts/ 生成物
bond breaking/bɒnd ˈbreɪkɪŋ/ 結合切断
bond making/bɒnd ˈmeɪkɪŋ/ 結合形成
5.1

Enthalpy change, ΔH · ⁨エンタルピー変化、ΔH⁩

English

The amount of thermal energy transferred in a reaction is called the enthalpy change 焓变. It is written as $\Delta H$ and has these signs:

  • $\Delta H$ is negative for an exothermic reaction, because energy leaves the chemicals.
  • $\Delta H$ is positive for an endothermic reaction, because energy is taken in.
日本語

反応における熱エネルギーの移動量をエンタルピー変化と呼ぶ。記号は $\Delta H$ で表し、次のような符号を持つ:

  • 発熱反応では化学物質からエネルギーが放出されるため、$\Delta H$ は負となる。
  • 吸熱反応ではエネルギーが取り込まれるため、$\Delta H$ は正となる。
バーンバーン炎がエネルギーを供給:エンタルピー変化 ΔH は定圧での熱移動量
バーンバーン炎がエネルギーを供給:エンタルピー変化 ΔH は定圧での熱移動量
5.1

Activation energy · ⁨活性化エネルギー⁩

English

Particles do not react every time they meet. The activation energy 活化能 ($E_a$) is the smallest amount of energy that colliding 碰撞 particles 粒子 must have before they can react. It is like a hill the particles must get over before the reaction can happen.

日本語

粒子が衝突しても必ず反応するわけではない。活性化エネルギー($E_a$)とは、衝突する粒子が反応するために必要な最小限のエネルギーのことである。これは、反応が起こる前に粒子が越えなければならない「山」のようなものと考えられる。

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Activation energy · ⁨活性化エネルギー⁩

Ea = the energy barrier · ⁨Ea = 能量障壁(エネルギーバリア)⁩

Every reaction must climb the activation-energy barrier before products can form. · ⁨すべての反応では、生成物が形成される前に活性化エネルギーの障壁を越えなければなりません。⁩

5.1

Reaction pathway diagrams · ⁨反応経路図⁩

English

A reaction pathway diagram 反应进程图 shows how the energy changes as a reaction happens. Energy is on the vertical axis, and the progress of the reaction is on the horizontal axis.

  • The line starts at the energy level of the reactants 反应物.
  • It rises over a 'hill' — the height of this hill is the activation energy $E_a$.
  • It then falls or rises to the energy level of the products 生成物.
  • The gap between the reactant level and the product level is the enthalpy change $\Delta H$.

For an exothermic reaction, the products are lower than the reactants, so energy is given out and $\Delta H$ is negative.

For an endothermic reaction, the products are higher than the reactants, so energy is taken in and $\Delta H$ is positive.

日本語

反応経路図は、反応に伴うエネルギーの変化を示す。縦軸にエネルギー、横軸に反応の進行を表す。

  • 線は反応物のエネルギーレベルから始まる。
  • 「山」の上へ立ち上がり、この山の高さが活性化エネルギー $E_a$ である。
  • その後、生成物のエネルギーレベルまで下がるか、あるいは上がる。
  • 反応物レベルと生成物レベルの差がエンタルピー変化 $\Delta H$ である。

発熱反応では、生成物のエネルギーレベルは反応物より低くなるため、エネルギーが放出され、$\Delta H$ は負となる。

吸熱反応では、生成物のエネルギーレベルは反応物より高くなるため、エネルギーが取り込まれ、$\Delta H$ は正となる。

2つの反応経路図:生成物が反応物より低い発熱反応の図と、生成物が反応物より高い吸熱反応の図
発熱反応は始点より低点で終わり ($\Delta H<0$);吸熱反応は高点で終わる ($\Delta H>0$)
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Reaction pathway diagrams · ⁨反応経路図⁩

Drag ΔH and the activation energy. Exothermic releases energy; endothermic takes it in; the hump is the energy barrier. · ⁨ΔHと活性化エネルギーをドラッグせよ。発熱反応はエネルギーを放出し、吸熱反応は取り込む。山のような形がエネルギー障壁である。⁩

5.1

Bonds and energy · ⁨結合とエネルギー⁩

English

A reaction involves breaking the bonds in the reactants and making new bonds in the products.

  • Bond breaking 断键 takes in energy, so it is an endothermic step.
  • Bond making 成键 gives out energy, so it is an exothermic step.

The bond energy 键能 is the energy needed to break one mole of a particular bond. You can use bond energies to find the enthalpy change:

$$\Delta H = (\text{energy to break all bonds}) - (\text{energy released making all bonds})$$

If more energy is given out making bonds than is taken in breaking bonds, the reaction is exothermic ($\Delta H$ negative). If less energy is given out, it is endothermic ($\Delta H$ positive).

Worked example

For the reaction $\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}$, use these bond energies (in kJ/mol): H–H $= 436$, Cl–Cl $= 242$, H–Cl $= 431$.

Bonds broken: one H–H and one Cl–Cl $= 436 + 242 = 678$.

Bonds made: two H–Cl $= 2 \times 431 = 862$.

$$\Delta H = 678 - 862 = -184 \text{ kJ/mol}$$

The answer is negative, so this reaction is exothermic.

日本語
青い炎を出しているバーンバーンバーナー
結合の切断と形成によりエネルギーが移動する—ここでは炎がそれを供給している。

反応は、反応物の結合を切断して、生成物の新しい結合を形成することを含む。

  • 結合の切断はエネルギーを取り込むため、吸熱的な段階である。
  • 結合の形成はエネルギーを放出するため、発熱的な段階である。

結合エネルギーとは、ある特定の結合1モールを切断するために必要なエネルギーのことである。結合エネルギーを使ってエンタルピー変化を求めることができる:

$$\Delta H = (\text{energy to break all bonds}) - (\text{energy released making all bonds})$$

結合の形成時に放出されるエネルギーが、結合の切断時に吸収されるエネルギーよりも多い場合、反応は発熱反応($\Delta H$ 負)となる。逆の場合、吸熱反応($\Delta H$ 正)となる。

worked example

反応 $\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}$ に対して、以下の結合エネルギー(単位:kJ/mol)を用いる:H–H $= 436$、Cl–Cl $= 242$、H–Cl $= 431$。

切断された結合:H–H が1つ、Cl–Cl が1つ $= 436 + 242 = 678$。

形成された結合:H–Cl が2つ $= 2 \times 431 = 862$。

$$\Delta H = 678 - 862 = -184 \text{ kJ/mol}$$

答えが負であるため、この反応は発熱反応である。

水素と塩素から塩化水素が生成されるためのエネルギー準位図:結合切断による上昇、その後結合形成によるより大きな下降、最終的に開始点より低い位置で終わる
結合の切断はエネルギーを取り込み($+678$)、結合の形成はより多く放出する($-862$)ため、$\Delta H = -184$ kJ/mol
Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
bond energy/bɒnd ˈenədʒi/ 結合エネルギー
5.1

Exam tips · ⁨試験対策⁩

English
  • Exothermic gives out heat, so the surroundings warm up and $\Delta H$ is negative; endothermic takes in heat, so the surroundings cool and $\Delta H$ is positive.
  • Bond breaking takes energy in (endothermic); bond making gives energy out (exothermic). Use $\Delta H = (\text{energy to break bonds}) - (\text{energy released making bonds})$.
  • If more energy is released making bonds than is used breaking them, the reaction is exothermic. Always check the sign of your final answer.
  • On a reaction pathway diagram, an exothermic reaction ends lower than it starts; an endothermic one ends higher. The height of the hill is the activation energy.
日本語
  • 発熱反応は熱を放出するため周囲が暖まり、$\Delta H$ は負;吸熱反応は熱を取り込むため周囲が冷え、$\Delta H$ は正となる。
  • 結合の切断はエネルギーを取り込み(吸熱)、結合の形成はエネルギーを放出(発熱)する。$\Delta H = (\text{energy to break bonds}) - (\text{energy released making bonds})$ を用いる。
  • 結合の形成時に放出されるエネルギーが、切断時に消費されるエネルギーよりも多い場合、反応は発熱反応となる。常に最終的な答えの符号を確認しよう。
  • 反応経路図において、発熱反応は開始点より低い位置で終わり、吸熱反応は高い位置で終わる。山のの高さが活性化エネルギーである。

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