高校化学「熱化学方程式」尿素の生成

高校化学「熱化学方程式」尿素の生成

◆問題

二酸化炭素ＣＯ2とアンモニアＮＨ3を高温・高圧で反応させると、尿素(ＮＨ2)2ＣＯが生成する。このときの熱化学方程式の反応熱Ｑは何ｋＪか。ただし、ＣＯ2(気)，ＮＨ3(気)，(ＮＨ2)2ＣＯ(固)，水Ｈ2Ｏ(液)の生成熱は、それぞれ３９４ｋＪ／ｍｏｌ，４６ｋＪ／ｍｏｌ，３３３ｋＪ／ｍｏｌ，２８６ｋＪ／ｍｏｌとする。

ＣＯ2(気)＋２ＮＨ3(気)＝(ＮＨ2)2ＣＯ(固)＋Ｈ2Ｏ(液)＋ＱｋＪ


解答はこのページ下に掲載します。


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◆解答解説

生成熱は構成元素の単体からその物質１ｍｏｌを生成したときに発生する熱量です。
問題に与えられた生成熱の値から、以下の式を立てることができます。

Ｃ＋Ｏ2＝ＣＯ2＋３９４ｋＪ
(１／２)Ｎ２＋(３／２)Ｈ2＝ＮＨ3＋４６ｋＪ
Ｎ2＋２Ｈ2＋Ｃ＋(１／２)Ｏ2＝(ＮＨ2)2ＣＯ＋３３３ｋＪ
Ｈ2＋(１／２)Ｏ2＝Ｈ2Ｏ＋２８６ｋＪ

熱化学方程式の反応熱に関する問題は、これらの方程式を数学の連立方程式の要領で、組み合わせることによって解くことができます。
目的の式の左辺にはＣＯ2と２ＮＨ3があるので、その通りに移項し係数も合わせます。

ＣＯ2＋３９４ｋＪ＝Ｃ＋Ｏ2
２ＮＨ3＋９２ｋＪ＝Ｎ2＋３Ｈ2

あとはそのまま４つの式を足すと、

ＣＯ2＋３９４ｋＪ＋２ＮＨ3＋９２ｋＪ＋Ｎ2＋２Ｈ2＋Ｃ＋(１／２)Ｏ2＋Ｈ2＋(１／２)Ｏ2＝Ｃ＋Ｏ2＋Ｎ2＋３Ｈ2＋(ＮＨ2)2ＣＯ＋３３３ｋＪ＋Ｈ2Ｏ＋２８６ｋＪ

とりあえず、左辺と右辺それぞれをそのまま足しました。
両辺に同数あるものを相殺して、熱量を右辺に集めると、

ＣＯ2＋２ＮＨ3＝(ＮＨ2)2ＣＯ＋Ｈ2Ｏ＋３３３ｋＪ＋２８６ｋＪ−３９４ｋＪ−９２ｋＪ

単体は偶然にも(?)全て消えて、目的の形と同じ式ができあがりました！
(もちろん偶然ではありません(笑)生成熱の式が正しくできていれば、そして問題が正しければ必ず不要なものは全て消えます)
あとは熱量の数値を計算すると・・・

ＣＯ2＋２ＮＨ3＝(ＮＨ2)2ＣＯ＋Ｈ2Ｏ＋１３３ｋＪ

つまり、Ｑ＝１３３ですね！


◆関連項目
一酸化炭素の生成熱
熱化学方程式・化学平衡まとめ


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