アンモニアが発生するわけ

Question

塩化アンモニウム＋水酸化バリウム＋水で
アンモニアが発生すると思うのですが
そのときって熱を吸収しますよね？？
熱を吸収するということは
物質自体のエネルギーが多くなる→物質的に不安定になる
と思うのですが
わざわざ刺激もなしにエネルギー的に不利な物質になろうとするのは
何故ですか？？
教えてください

phusike · Accepted Answer

高校の物理や化学程度の知識はありますが、
理科系の高等教育は受けていないという前提でお答えしますね。

もう少し説明が簡単な例を挙げましょう。
例えば、硝酸アンモニウムという物質があります。
これはヒヤロン等に入っており、
水に溶けると熱を吸収してくれます。

ところが、水に溶けるということは、
イオン結合を切断するということです。
結合した分エネルギー的に安定になりますので、
結合の切断を要するということはエネルギーを消費することになります。
このため、吸熱が起こるということですね。

それでは、なぜ吸熱が起こってエネルギー的に不安定な状態に進むのかを、
ミクロな観点から考えてみます。
水に入れた硝酸アンモニウムの結晶の各イオンは、
それぞれが熱運動による振動を起こしています。
この振動はどのイオンも同じ激しさというわけでは決してなく、
激しく振動しているものもいればあまり振動していないものもいます。

このうち、激しく振動しているイオンが、
水分子との衝突で水分子の運動エネルギーをもらって、
イオン結合による束縛を振り切って一旦結晶から離れたとしましょう。
一旦こうなると、離れてしまったイオンは水分子による運動に流され、
元の結晶に戻ることができなくなります。
つまり、こうやって、次々に水分子の運動エネルギーをもらい、
結晶からイオンが離れていくのです。

質問にある化学反応も、理屈としてはこの応用となっています。

コーヒーにミルクを一滴垂らしたとき、
最初はミルクは一点にまとまって存在するでしょう。
これは秩序だった状態と解釈されます。
ところが、やがて時間が経つとミルクはコーヒー全体にばらけていきます。
これは無秩序な状態と解釈されます。
（この無秩序さは専門的には「エントロピー」といいます）
コーヒーの例から分かるように、
自然は放っておけば「秩序→無秩序」の方向に進む傾向があります。
（これは「熱力学第二法則」とよばれます）

ヒヤロンの例もこれと同じで、
秩序だった結晶にまとまっている状態から、
無秩序な水溶液中に散らばった状態へ進む傾向があります。
ただし、この場合は無秩序な状態の方がエネルギー的に不安定ですので、
「エネルギー的に安定な方向に進む」か、
「無秩序な方向に進む」か、
この2つが拮抗することになります。
どちらが強いかは一般に温度により、
低温では前者、高温では後者が強くなります。
そして、ヒヤロンの場合は室温では後者が勝つため、
エネルギー的に不安定ではあるが無秩序な状態に進むわけです。
質問文の例も同じです。
（これを定量的に扱ったものが「Gibbsの自由エネルギー」とよばれます）

lemonade1120 · Answer

Gibbsの自由エネルギーの式はご存知ですか？
ΔG =ΔH - TΔS
自発的に起こる化学反応は、必ずGibbsの自由エネルギーが減少する方向（ΔG＜0）に進行します。逆に言えば、ΔG＜0でありさえすれば、化学反応は自発的に進行しうるのです。

塩化アンモニウム＋水酸化バリウム＋水からアンモニアが発生する系では、吸熱反応ですからエンタルピー変化は正（ΔH＞0）です。確かにΔG＜0であるためには発熱変化（ΔH＜0）の方が有利ですが、吸熱反応（ΔH＞0）であっても、エントロピー変化が正（ΔS＞0）であり、ΔG＜0となれば反応は進行します。

つまりは、エネルギー的（エンタルピー的）に不利であることは間違いないのですが、エントロピー的にはかなり有利になるため、Gibbsの自由エネルギーは減少するのです。エンタルピーは乱雑さの指標と考える事ができるので、固体から気体ができて、それが拡散していく事をイメージすれば分かりやすいですよね。

アンモニアが発生するわけ

高校の物理や化学程度の知識はありますが、

Gibbsの自由エネルギーの式はご存知ですか？

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