酸化するとなぜ発熱？質量欠損とかですか？

燃焼を調べてて最後にわからなくなりました。
燃焼が酸化反応だとすると酸化によって何のエネルギーが放出しているのでしょうか？。

たとえば生物が使っているＡＴＰ３リン酸は結合エネルギーを使っているときいたことがあります。
酸化のように結合したときに熱を発したり、ＡＴＰ３リン酸のように結合が外れたときにエネルギーとして利用できたり、わけわかりません。どっちなの？っていう。

自分はこう考えています。
水が気体になるときには、熱エネルギーを与えないとならないのだから、ＡＴＰ３リン酸のように結合が外れるときは逆にエネルギーを与えなければならないような気がします。
これが核分裂のように質量欠損によるエネルギー放出してるなら理解できるのですが・・・。

まとめると
（１）物質が結合するときに発熱するのでよいのか？。そのとき放出するエネルギーとはなにか？。失われたポテンシャルとか運動エネルギーですか？
（２）結合エネルギーを使うってなに？。逆にエネルギーを与えないと結合は外れないのでは？
（３）ついでに質問なのですが、５０度の１リットルの水と５０度の１リットルの水を足すと、５０度の２リットルの水になるけど、
５００度の火と５００度の火をあわせると１０００度になると思うのですがどうですか？。

の三点についてお答えをお願いします。

No.6 ベストアンサー 回答者： veryyoung 回答日時： 2010/02/21 17:37

ANo.5のお礼欄の疑問についてです。

「水を沸かせば重くなる」旨の記述を大量情報の中から見つけ出すのは、難しいかもしれませんね。商業的価値がありませんから・・。・・でも見つかりました。啓蒙的インパクトは大きいですからね。
http://homepage2.nifty.com/eman/dynamics/mass_en …
「冷たい水より、温かい水の方がその熱エネルギーの分だけごく僅かに重い」と、上から数行目にあります。

wikiの　質量保存の法則：
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%B3%AA%E9%87%8F% …
の「現代科学における質量保存の法則」の項に「質量とエネルギーの総和」が保存される旨あります。核燃料と水で閉じた系を作り、秤に乗せたとしましょう。総重量は核反応が生じても変化しません。核燃料が質量欠損を生じるならば、温水にそれが添加されている事になります。１グラムの核物質が１ミリグラムの質量欠損を生じたとしましょう。200トン以上の湯が沸かせます。１グラムに対する１ミリグラム変化は測定可能でしょうが、200トンの１ミリグラム変化は、測定出来そうに無いし弊害もありません。それゆえ普通、言及されていないのでしょう。
ところで、そこの解説に「電磁相互作用に基づく変化（化学変化など）」という文面があります。まさにご質問の主題です。　なお、気をつけて読まないと「化学反応における”質量の保存”は近似的に成立している」の文面に混乱するかもしれません。「化学反応においても”質量とエネルギーの総和の保存”は正しく成立している」と読み替えて下さい（念のため）。

「燃焼系アミノ式」、なつかしいですね。
wikiで　燃焼：
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%87%83%E7%84%BC
を見ると命名が妥当だとわかります。「発熱を伴う激しい物質の化学反応のこと。・・・　また、生体内で起こる緩やかな酸化反応・・・も燃焼と呼ぶことがある。」

wikiで　生理的熱量：
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%94%9F%E7%90%86% …
の「生理学的熱量の定義と計測 」の欄を見ると、食物を空気中で燃やして得られた熱量でも、体内の酵素触媒反応で産生されるエネルギを推量できる事がわかります。熱（温度）に変えてもエネルギは保存されますから計測上は等価です。しかし力学的エネルギとしての利用効率は悪くなります。生物としては、なるべく熱を発生させないように化学ポテンシャルは利用すべきです。

wikiの　エネルギー保存の法則：
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A8%E3%83%8D% …
の最後に「エントロピーとエネルギーの「質」」という項目があります。そこに「利用効率の悪い熱エネルギー」という表現があります。

wikiの　熱力学第二法則：
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%86%B1%E5%8A%9B% …
の初めの方に「電気エネルギーは質の高いエネルギーであるが、温水のエネルギーの質は低い。」という表現があります。


「５００度の火と５００度の火」の問題設定は、少々乱暴ではありませんか。二つのガスのかたまりの接触と考えれば温度に変化は無いでしょう。しかし密度を２倍にする、つまり加圧するというなら話は違います。大気中に開放して燃焼させる場合には、膨張を許すことでも温度が低下している筈です。箱に混合気を１気圧で充填して爆発させた場合と２気圧で充填して爆発させた場合なら、後者の方が高い温度になると言えそうです。温度の具体値の計算は勘弁して下さい。しかし少なくとも摂氏温度の加算では求まらないと思います。

この回答へのお礼

化学エネルギーについては全然無知でありました。今回はとても勉強になりました。

ＥＭＡＮの物理は自分も復習のためにたまに利用していました。また一から読んでみようと思います。

非常に助かりました。

お礼日時：2010/02/22 15:21

No.5 回答者： veryyoung 回答日時： 2010/02/20 09:29

ANo.4のお礼欄のご質問について書いてみました。

＞核反応だけしか質量欠損はないのかと思っていたのですが違うんでしょうか？。

核反応の質量欠損は、外部に取り出されたエネルギの等価質量ですよね。そのエネルギでバッテリーを充電すれば、質量は移動し、化学エネルギとしての質量がそこに付加されると思いませんか。　あるいは水を沸かせば重くなる。　通論です。


生物の化学エネルギの利用法が熱（乱雑さ）で無いことを以下に補足説明します。

化学エネルギの利用法には、熱機関とは別に電池があります。　ガソリンエンジンは燃焼による気体分子のランダムな動きの増大（熱）から力学仕事を引き出します。　一方、電池とモータは熱を使用する事無く動力を生みます。分子のランダムな動きを経由しません。　筋原繊維が化学エネルギを使用してスライド収縮するしくみは熱機関ではありません。　概念的には、化学電池とモータの組み合わせの側に分類できるでしょう。　アクチン-ミオシン分子機構のミクロな部分では、ATPエネルギ由来のクーロン力が方向性を持って整然と働いている筈です。　もし内燃機関のように化学ポテンシャル（電気ポテンシャル）を一旦ランダムな運動エネルギに変換しまったなら、そこから引き出せる力学仕事は僅かです。　カルノーサイクルの理論熱効率はご存知でしょう。　温度差の小さい体内で、実用的な効率は得られませんよね。

この回答へのお礼

＞水を沸かせば重くなる
調べても出てきませんでした。信じられません。ショックでした。

（２）に関してはだいぶ解消されました。なるほど、生物のエネルギーはモーターに近い。なんとなく熱機関だと思い込んでた節がありました。燃焼系アミノシキなんていう商品もありましたから。
後は自分で調べてみます。
カルノーサイクルは可逆性を理論的に可能であることを言っているだけかと思ってました。その奥には熱効率のことを考えた話があったことを知りました。勉強になります。

（３）に関してはどうですか？是非意見を伺いたいです！。

お礼日時：2010/02/21 01:57

No.4 回答者： veryyoung 回答日時： 2010/02/19 23:36

いわゆる力は、重力、電気力と核力二種ですから、その内で化学反応で開放されるのは電気エネルギと結論して良いのではありませんか。

　分子原子が結合を変えれば、電子の軌道が変化します。　陽子との平均距離が縮まれば電気的なポテンシャルエネルギが開放される筈ですし、伸びればエネルギを吸収できるでしょう（表現が古典的すぎるかもしれませんが）。

熱の正体は分子の並進・回転運動、格子点の振動で、その激しさの指標が温度です。　例えば水素と酸素が結びつく様子を想像してみて下さい。　詳細な段取りは知りませんが、少なくとも、クーロン力に基づく電子や原子核の急峻な位置変化が生じる事は明らかでしょう。　この衝撃が、乱雑な分子運動の基になっているのだと思います。

なお、反応熱も含めて閉じ込めてあれば、その系の質量欠損はありません。　熱量が系から逃げれば、等価質量も同時に失せます。　その形態が、系外分子運動エネルギへの移行であれ、放射電磁波であれ、等価質量が持ち去られるでしょう。

ところで、前記クーロン力による「衝撃」は乱雑だとは限りません。　生物は熱機関ではありませんね。　筋肉が動くのは、ＡＴＰとアクチンやミオシンの間の反応でしょうが、そこでは、もっと方向性の整ったクーロン力が生じるよう設計されていそうです。　化学反応は電気力ですから、生物を含め身の回りの多くはクーロン力で動いていえるでしょう。

この回答へのお礼

後半がいきなりムズイです！
でも物理的な説明なので比較的理解しやすいです。電気的なエネルギーのやり取りの結果差し引きして燃焼のエネルギーは放出されているって言うのなら確かにそうかもと思えます。

＞なお、反応熱も含めて閉じ込めてあれば、その系の質量欠損はありませ
＞ん。　熱量が系から逃げれば、等価質量も同時に失せます。　その形態
＞が、系外分子運動エネルギへの移行であれ、放射電磁波であれ、等価質
＞量が持ち去られるでしょう。

このあたりから全然わかりませんでした。
え？ってことはちょっとした化学変化で熱や電磁波が系から逃げるたびに等価質量が失せるってことですか？。核反応だけしか質量欠損はないのかと思っていたのですが違うんでしょうか？。

＞ところで、前記クーロン力による「衝撃」は乱雑だとは限りません。　
＞生物は熱機関ではありませんね。　筋肉が動くのは、ＡＴＰとアクチ
＞ンやミオシンの間の反応でしょうが、そこでは、もっと方向性の整た
＞クーロン力が生じるよう設計されていそうです。　化学反応は電気力で
＞すから、生物を含め身の回りの多くはクーロン力で動いていえるでしょ
＞う。

これもムズかったですが何度も読んでだいぶ把握してきました。整列しているエネルギーを利用している、エントロピーのことでしょうか。
かなりぼんやりですが生物は宇宙上で唯一エントロピーの減少を行っている存在らしいので、そのエネルギーを使っているというイメージならなるほどそうかもと思えます。

お礼日時：2010/02/20 00:53

No.3 回答者： doc_sunday 回答日時： 2010/02/19 13:49

>ガスコンロの火を二つに分けても温度が下がらないなら半分の燃焼で二倍のお湯が沸く

これは「温度」と「熱量(熱エネルギー)」が区別出来ていない例ですね。
お湯を沸かすにはエネルギーが必要です。
この際は熱エネルギーで温度を上げます。
単位質量の物質の温度を１度上げるのに必要なエネルギーを「比熱」と呼びます。
質量が多いときは質量の大きさが乗じられて「熱容量」になります。
ガスコンロの火を二つに分けてしまうと、炎の温度は同じでも炎から与えられる熱エネルギーの量が減ってしまうので、温度を上げるのに長い時間がかかります。

この回答へのお礼

水のような物質なら体積が存在するので比熱やらが考えられるのですが、炎のようなものには体積がないのでエネルギーを温度で表現するしかないように思えるのです。

ＰＶ＝ＮＲＴ
という状態方程式から考えると、
左辺が体積を持つ水のようなもののエネルギーの式、右辺が体積を持たない温度だけで表現したエネルギーの式だとおもうんですよね。炎の場合、
温度の高さ＝変換されたエネルギー
ではないでしょうか？。つまり、二つの炎をあわせるとやはり温度は加算されるように思うのです。

「ガスコンロの火を二つに分けてしまうと、炎の温度は同じでも与えられる熱エネルギーの量が減る」って言うのは、ガスコンロの場合、炎の数に対して、面積ですでに分散されているので（つまりすでに一つの炎じゃないので）、今回の自分の質問とは違う気がします。炎がすでに分散されているのだから、これを分けても炎の温度は変わらないのは当然だったような・・・。

このガスコンロの炎をひとつにしたり穴を増やして面積でもっと分散させたりしたらどうなるかという質問だったらどうでしょう？。

お礼日時：2010/02/19 23:29

No.2 回答者： doc_sunday 回答日時： 2010/02/18 14:09

>５００度の火と５００度の火をあわせると１０００度になる

おたくのガスコンロの中心は数千度でしょうか。
炎を分けると温度が半分になりますか？
もちろん周りから冷やされて、多少は低くなりますね。
では、百度のお湯を半分に分けると五十度のお湯になりますか？
炎と違うと思うのは間違いです。
炎の温度は発熱と冷却が釣り合ってその温度になっているので、動的平衡、正しくは「定常状態」と呼ばれます。
お湯も周りから冷やされなければ「定常状態」にいます。

この回答へのお礼

わからないことが結構あります。
ローソクの火に違うローソクを引火させて二つに分けるという意味ではなく、供給するガスを二倍にしたり、半分にして燃焼させると温度は二倍になったり半分になるのかという意味です。
コンロの炎を強と弱にするのでは中心の温度はかわりますか？それともかわらない？
ガスコンロの火を二つに分けても温度が下がらないなら半分の燃焼で二倍のお湯が沸くっていうことでしょうか？。

温度が重なると加算されるのかという質問でもあります。

お礼日時：2010/02/18 23:15

No.1 回答者： debukuro 回答日時： 2010/02/18 08:56

走っている自動車を減速したり停止させるのはブレーキを使用します

これは運お堂エネルギーを摩擦によって熱に変換するのです

酸化する前の物質は走っている自動車と同じで大きなエネルギーを持っています
これをエネルギー準位が高いと言います
エネルギー準位が高いと言うことは化学反応を起こしやすいと言うことです

酸化などで他の物質と結合すると化学反応を起こしにくい状態になります
エネルギー準位が低くなるのです
この反応過程で不要になったエネルギーが熱として放出されるのです
そして放出されたエネルギーに見合った質量が失われます
石炭二千トンが完全燃焼すると反応生成物の質量は反応前より１グラム小さいそうです

結合を解くにはエネルギーを与えなければなりません
簡単な実験
食塩を水に溶かすと塩素イオンとナトリウムイオンに解離します
結合した食塩の状態よりもイオンに解離した状態の方がエネルギー準位は高いのです
このエネルギーはどこから来たか？
水から受け取ったのです
その結果水の温度が下がるのです

火は物質ではありません
一般に火と呼ばれているのは炎です
これは燃焼生成物に含まれている微小な粒子が高温で光っているのです
１リットル５００?の炎２リットルを１リットルに閉じ込めることができれば１０００?になるかも知れませんが先ずそういうことはできないでしょう
炎を容器に入れたとたんに容器が炎の熱を奪って炎の温度が下がってしまうからです
炎自体は自ら熱を発生させているのではなく燃焼物で発生した熱を運んでいるだけですから
ろうそくの炎をよく見て下さい
芯の回りに青白い部分があります
青白い部分と黄色い部分の境目で燃焼しているのです
黄色い部分は炭素が光っているだけで既に燃焼が終わった部分です

この回答へのお礼

（３）に関してはかなり解消されました。燃焼を体積と熱量で考えていたのが間違いだったようです。
炎の場合は「時間」で考えなければなりませんでした。
１０カロリーと１０カロリーを別々に１秒間で熱に変換しても同じ温度ですが、同時にまとめて１秒間燃やせば２倍の温度になり、２秒間で燃やせば同じ温度でした。

（１）に関してはまだわかりません。
酸化しているのに質量が減るんですね！。なぜゆえ？質量欠損って言うことでしょうか？。

お礼日時：2010/02/18 23:28