エネルギー図の超体系的書き方とは？ヘスの法則で熱化学方程式を図解せよ！

どうも受験化学コーチわたなべです。

高校で、エネルギー図の書き方って習いましたか？

高校の先生はなんだかんだエネルギー図を使うくせに、全然エネルギー図の書き方にまで触れてくれませんでしたよね。

だから、こう感じていませんか？

別に、熱化学方程式なんて消去法で解けばいいじゃんか。

って。でも、これはめっちゃ勿体ない！！　いや、勿体無いどころか危険です。

熱化学の９割の問題はエネルギー図で処理します。

連立方程式の解き方は式が増えれば増えるほど、ミスも増えるし、間違えやすいし、何より遅いです。

なので、今回の記事でエネルギー図をしっかりマスターしてください。

やり方はワンパターンですし、エネルギー図を使いこなせるようになるとぶっちゃけ熱化学の問題に難問は存在しなくなります。この記事でエネルギー図をあなたの受験化学の最強の武器にします。

【語呂あり】エネルギー図の順番は決まっている。

エネルギー図の書き方をいきなり学ぶ前に、そもそもエネルギー図は上から書くべき順番があることを理解しておいてください。

エネルギー図には、実は上から順番が決まっているのです。何気なく使っているかもしれませんが、このエネルギー図はエネルギーが大きい順に上から並んでいるのです。

そして、さらに物質の世界でのルールで、「バラバラなものの方がエネルギーが高い」という原理原則があるのです。

実際にエネルギー図を見てみると、

ね、上に行けば行くほどバラバラですよね。

この順番です。この順番を完璧に覚えてください！

いやいや、こんなもの覚えるのきついだろ・・・結局丸暗記かよ・・・・

と思われるかもしれませんので、最強のゴロを紹介します。化学受験テクニック塾、受験化学コーチオリジナルです。

それは、これ。

この語呂で是非覚えていきましょう。これを覚えていけば、エネルギー図の順番で困る事は減ります！上から順番にこれを使ってください！

これを目安にエネルギー図の順番を覚えてください（時には順番が前後することはあります）

また語呂で無理やり覚えるだけでは、使えても納得は出来ないですよね。エネルギー図は最終的には、キッチリ理解して使えるようにしてほしいのです。

理解の手助けとしては、エネルギー図の上に行くほど、状態がぐちゃぐちゃになっているのが分かります。

例えば、陽イオンは原子よりも電子と陽子がバラバラになっていたりしますし、原子は単体よりもバラバラです。

（※なので、陽イオンは原子より上ですが、陰イオンは原子より下です。なぜなら原子と電子がくっついた物が陰イオンだからです。）

だから、固体よりも液体、液体よりも気体の方がエネルギーは高くなります。

あと、持っていて欲しい理系としての感覚としてエネルギーが高いほど『不安定』

そしてエネルギーが低いほど『安定』ということを覚えておいてください。

つまり、バラバラなほど不安定で、くっついている方が安定ということになりますね！

○○熱と○○エネルギーの違い

これを読んでいるあなたも、思ったことはあるのではないですか？

「中和熱」とかの『○○熱』と

「イオン化エネルギー」とかの『○○エネルギー』って

熱化学方程式で出てくるけど
なにがちゃうねん、、、

そうですよね〜

なんでこのような区別がなされているのか、イオン化熱ではなんでダメなのか？中和エネルギーではなんでダメなのか？っていうことを疑問に思いますよね。

昔の人も無意味に名前の違いをつけたりしません。この命名の違いには意味があります。この違いをきっちり理解する事で、多くの人がつまづいてしまう矢印の向きや熱量の符号がめっちゃ簡単に理解できます！

この○○熱と○○エネルギーを区別できた瞬間あなたは、熱化学方程式の符号やエネルギー図の矢印の向き全てマスターできるのです！

なので、次の章から１つずつこの熱とエネルギーの違いについて話していきたいと思います！

熱

これは『バラバラ状態から塊状態にする熱量』のことです。

例えば、単体から化合物を生成するのは『生成熱』です。

エネルギー図で言うと矢印は『下向き矢印』となります。

単体または、化合物を完全燃焼すると完全燃焼物になります。このときは『燃焼熱』になります。エネルギー図で言うと矢印は『下向き矢印』となります。

つまり、○○熱の場合は、エネルギー図では、『下向き矢印』を書けばいいのです。

エネルギー

これは『バラバラにするためのエネルギー』です。

例えば、単体をイオンにするときに必要なのは、『イオン化エネルギー』です。

つまりこのエネルギー図で言うと、単体からイオンなので、『上向き矢印』なのです。

他にも化合物を単体に分解するのは、

『結合エネルギー』ですので、

これまた『上向き矢印』です。

つまり、○○エネルギーの場合は、

エネルギー図では、

『上向き矢印』を書けばいいのです。

まとめ

これからわかるように○○熱はバラバラのものが固まる方向にエネルギー図の矢印を書き、それは『下向き』です！

○○エネルギーは現状からバラバラになる方向へエネルギー図の矢印を書き、それは『上向き』です！

例外

ただし、なんでも法則には、例外がつきものです。例外は、『状態変化に関わる○○熱』です。状態変化に関わる○○熱例えば、蒸発熱などは、『液体が気体になる』など、

バラバラの方向に反応が進んでいます。

なので、

状態変化に関する昇華熱や融解熱などのバラバラになる方向の熱量は○○エネルギーとして扱う。

と覚えておいてください。

受験化学コーチわたなべ

まあ、本質を言うと、くっついたら下、離れたら上！これだけを覚えておけばいいんですよ！

じゃあ次は熱化学方程式だ！

正直熱化学方程式を立てなくても問題は解けなくはないが、『熱化学方程式を書け』って問題もよく出るから、これはきっちりマスターしておこう！

よくミスるのが、熱量の符号ねこれも○○熱、○○エネルギーで覚えれば楽勝です。

下向き矢印(○○熱)なら右辺
上向き矢印(○○エネルギー)なら左辺

『驚くほど簡単』

『こんなことに迷ってたとは、、』

○○エネルギーの時は、左辺に書いたら

それを右辺に移行したら符号は負になるってわけだ！

簡単すぎる!!

実際これを知らずにいちいち考えている受験生を哀れみながらあなたは、１分以内に方程式をたてればいい！

熱化学方程式で符号を間違う事はありません。

このエネルギー図が書けるようになれば、あとは
それぞれの○○熱、○○エネルギーが
『どこ』から『どこ』を覚えるだけです。



『どこ』から『どこ』を覚えてしまいましょう！

この図でどこからどこ
を覚えてしまいましょう。

なぜ熱は熱量を放出しエネルギーは吸収するのか？

まあ、いままでのところで何となく、テクニック的に符号を覚えてもらいましたが、ここではなぜ熱は放出なのか？エネルギーは吸収なのか？という事を話して理解を深めておいてもらおうと思います。

まず、熱ですが、これは下向き矢印ですよね。ということは、最初にのべたように上に行くほど不安定でエネルギーが高くなります。下に行くほど安定してエネルギーが低くなります。

つまり、基本的にみんな下に行きたいんです！

イメージをつけてもらうと、ディズニーランドはお金を払ってでも行きたいですよね。

エネルギー図での下はディズニーランドのようなところです。なので、お金を払ってでも行きたいところです。

しかし、上はどうでしょう。不安定で、あまり行きたくないところです。だから、お金を貰わないとやってられないんです。

ゴミ処理の仕事などは給料が良いと聞きますが、それはみんなやりたがらないからお金を貰えるから仕方なくやっているのです。

つまり、エネルギー図でいう上は熱量をもらわないと行ってられるか！ということです。

エネルギー図の下はディズニーランド、上はゴミ処理場みたいな感じで覚えておき、そしてお金を考えるとなぜ熱は熱量を放出するのか？エネルギーは熱を吸収するのか？というのがイメージしやすいです！

特殊な熱化学方程式

熱化学方程式には特殊なパターンが

あります。

それは、１つの熱化学方程式が

２つの意味を表すのです。

これは知識として持っておいてください、

この知識は、ノーヒントで、

問題で使わなければならない事が、

あります。

なので、キッチリ覚えておいてください。

それは

２つあります。

その２つとは、

この関係性なのです

これはCを中心に見れば、燃焼熱

CO2を中心に見れば、生成熱を

あらわす熱化学方程式ということに

なります。

これもH2を中心に見ると燃焼熱

H2Oを中心に見ると生成熱を

表す熱化学方程式となります。

問題の解き方

とは言ってもこれだけわかっても「使いこなせるかな〜」とあなたは思われているかもしれない。

なので少し演習しておきましょう！

熱化学の問題の解き方はワンパターンなので、これさえ覚えれば、あなたが今後難しいと思うことは一切ありません。

STEP1　6個のエネルギー準位から必要なものを選ぶ！

問題文に「生成熱」とあれば、

「単体」、「化合物」が必要。

「燃焼熱」▶︎「完全燃焼」が必要

「結合エネルギー」▶︎「原子(気)」が必要

のようにエネルギー準位を選びます。

STEP2 　図から足し算、引き算で熱量を求める。

ではこのやり方を

例題で確認してみましょう。

例)C(黒鉛)の燃焼熱:394kJ/mol、CO の燃焼熱 283kJ/mol、 CO の生成熱は?

 

▶︎まず問題文に『生成熱』『燃焼熱』がある。

つまり、「単体」「化合物」「完全燃焼」が必要!
そしてエネルギー図を書きましょう!
まず必要なエネルギー準位を書き出します。

そして矢印を書いていきます。

生成熱は○○熱だから下向き矢印、
矢印を書き入れたエネルギー図がこちらです。

CO の生成熱は 111kJ/mol

とても簡単です。
熱化学の問題は多少難しくなろうと、
きっちり図を書ければ必ずできます。

熱化学の問題ではもう難問はありません。

補足

様々な受験生にいただいた質問にお答えしていきます。

溶解熱は○○熱が負？

溶解熱が負になる問題がありました。○○熱が負ってことは、矢印が上向きになるってことですよね。

これって○○熱じゃなくて、○○エネルギー何じゃないですか？

受験化学コーチわたなべ

これは、〇〇熱だったとしても値が負になることがあるんです。

また、溶解って「水とくっついてもいるけどそもそもバラバラになってもいるよね。」

水和熱、イオン化エネルギー、、、、

 

またギブズの自由エネルギー、
エントロピーなどを
色々考慮したうえで考えなあかんねん。

なので、溶解熱は負になることも
あるんやね。

ひとまず高校の段階では、
○○熱だから下向き、
それが負であるから、
エネルギー図で矢印が
上向きになる

と覚えておいて！

電子親和力はどう扱う？

電子親和力の扱いはどのようにすればいいですか？　最後が〇〇力でどちらに当てはめるかわかりません。

俺の熱化学の解法法則で考えると、電子親和力は例外になってしまう

じゃあ解けないのか？というとそんなわけない！

電子親和力は、

この図のように、単体の原子（Cl)1molと電子が『くっついて』陰イオンになることで放出される熱量です。

『くっつく』ということは、熱化学方程式は『右辺』で、エネルギー図の矢印は『下向き』ととらえればいい。

 

ということは、電子親和力は、『○○熱』として扱えば良い！　まあこの混乱は、英語の『electron affinity』の日本語翻訳ミスですね。

あなたは、『電子親和熱』と覚えればオッケー！

それでは最後まで読んでいただきありがとうございました。

エネルギー図はまずは自分で作ってみる事が大事です。

こちらの記事で確認してください。

エネルギー図の書き方がわからない人へ！習うより慣れろ！