溶解熱の熱力学的意味って何でしょうか?レポート課題にでて困っています。高校で生物・化学を履修していたため、熱力学についてはさっぱりです。いろいろ調べていたのですがエンタルピーがでてきてわけが分からなくなってしまいました。誰かよい回答をお願いします。

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A 回答 (1件)

溶解に限らず,状態が変化すればエネルギーが変化します.


状態変化の前と後のエネルギー差の分は外部と仕事および熱の形で
やりとりされます.
ただし,熱力学ではいろいろな独立変数の取り方がありますから,
単純にエネルギー(内部エネルギー)ではなくて,
場合場合に適した「エネルギーの仲間」の取り方があります.
ヘルムホルツの自由エネルギーだったり,ギブスの自由エネルギーだったり.
エンタルピーも「エネルギーの仲間」です.

通常の場合,溶解は圧力一定でおこなわれます.
そりゃ,普通空気中でやるんだから圧力は1気圧のままですよね.
エンタルピー H = U + pV が出てきたのなら
(1)  dH = TdS + Vdp = d'Q + Vdp
を思い出してください.
(1)をよく見て下さい.
圧力変化がなければ dp=0 ですから dH = d'Q ,
すなわち圧力一定の下ではHの変化分が熱そのものです.

余計なことかも知れませんが,
> 高校で生物・化学を履修していたため、熱力学についてはさっぱりです
が気になります.
溶解熱をエンタルピーなどを使って説明するレベルから見れば,
高校の物理の熱力学はほんのちょっとのことしかやっていません.
実際,やっていることはせいぜい理想気体を使った仕事と熱のやりとりの
話くらいで,化学でやっていることともかなり共通部分があります.
ですから,溶解熱を熱力学的に理解するというのは,
ほとんどが大学に入ってから勉強する部分です.
厳しいことを言うようですが,自分でいろいろ調べる意欲を持っておられるようなので,
あえてコメントさせてもらいました.
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Q化学溶解と物理溶解 違い

東京化学同人の化学辞典に
「溶解には化学溶解と物理溶解の二種類がある」と書いてありました

疑問なのですが
溶解、化学溶解、物理溶解の定義はそれぞれ何なのでしょうか?

私の理解だと

溶解 何かが液体の中に一様に散らばること

化学溶解 何かが液体の中に一様に散らばること 
       のうち溶媒と溶質が新たな化学種を作ること

物理溶解 何かが液体の中に一様に散らばること 
       のうち溶媒と溶質が新たな化学種を作らないこと

つまり、化学溶解では溶質は違う化学種となり溶解し
物理溶解では同じ化学種であるまま溶解すると考えています
この理解であっていますか?

また、それぞれの溶解の例なども教えてください

Aベストアンサー

こんなことかな。

化学溶解
 溶媒    溶質       溶液
 H2O    NH3      NH4^+ , OH^- , H2O
 H2O CO2      HCO3^- , H^+ , H2O
 H2O    NaCl      Na^+ , Cl^- , H2O

物理溶解
 溶媒   溶質       溶液       
 H2O    H2       H2 , H2O
 H2O    ショ糖     ショ糖分子 , H2O
 メタノール エタノール  それぞれ
C6H6   CH3C6H6   それぞれ

Qこの熱力学の問題がさっぱりなので教えてください!

大気の構造が下の図のようになるとする。境界の位置の半径をrcとする。

問題2-1
密度の逆数v=1/ρを比体積という。これは単位質量あたりの体積を表す。熱力学の第一法則はdQ=dU+Pdvである。断熱域での圧力Pと比体積vの関係を求めなさい。ただし、水素のような2原子分子の内部エネルギーは単位質量当たりU=5Pv/2で与えられる。積分定数はrcにおける比体積vcと圧力Pcを用いて表しなさい。

問題2-2
断熱域での圧力Pと密度ρの関係を求めなさい。定数はrcにおける密度ρcと圧力Pcを用いて表しなさい。

問題3-3
断熱域での温度Tと密度ρの関係を求めなさい。定数は等温域の温度T0とrcにおける密度ρcを用いて表しなさい(圧力Pcを消去)。

問題2-4
大気の静水圧平衡の式は
-dP/dr-GMρ/r^2=0‥‥(1)
で表される。ここでMは原始惑星の質量、rは惑星の中心からの距離である。
(1)問題2-2の結果を用いて(1)式の圧力を消去して、断熱域での密度に関する微分方程式を解きなさい。
(2)その微分方程式を解いて断熱域での密度ρをrの関数として求めなさい。
(3)断熱域での圧力Pをrの関数として求めなさい。
(4)断熱域での温度Tをrの関数として求めなさい。

大気の構造が下の図のようになるとする。境界の位置の半径をrcとする。

問題2-1
密度の逆数v=1/ρを比体積という。これは単位質量あたりの体積を表す。熱力学の第一法則はdQ=dU+Pdvである。断熱域での圧力Pと比体積vの関係を求めなさい。ただし、水素のような2原子分子の内部エネルギーは単位質量当たりU=5Pv/2で与えられる。積分定数はrcにおける比体積vcと圧力Pcを用いて表しなさい。

問題2-2
断熱域での圧力Pと密度ρの関係を求めなさい。定数はrcにおける密度ρcと圧力Pcを用いて表しなさい。

問題...続きを読む

Aベストアンサー

問題 2-2
dQ = dU + pdV (1)

2原子分子の内部エネルギU = (5/2)*RT = (5/2)*PV より
dU = (5/2)*d(pV) = 5pdV/2 + 5Vdp/2

これを(1)式に代入し、断熱 dQ = 0 の条件を入れて整理すると
7pdV/2 + 5Vdp/2 = 0
よって
dp/p = -(7/5)*dV/V
∫dp/p = -(7/5)∫dV/V
積分条件は Vc の時 Pc であるから
ln(P/Pc) = -(7/5)ln(V/Vc) = ln (V/Vc)^(-7/5) = ln(Vc/V)^(7/5)

P/Pc = (Vc/V)^(7/5)

P = Pc*(Vc/V)^γ  γ=7/5 (他の導出法より、2原子分子ではγ= Cp/Cv=7/5)
ρ= 1/V より

P = Pc* (ρ/ρc)^γ (2)
Poissonの式と呼ばれています。

問題 2-3
PV = RT、つまりP = RT*ρ、Pc = RTo*ρc
RTρ = RTo*ρc*(ρ/ρc)^γ

T = To*(ρ/ρc)^(γ-1) (3)
(P/Po = (T/To)^(γ/(γ-1))もPoissonの式と呼ばれます。)

問題 2-4
Pはρの関数P(ρ)、ρはrの関数ρ(r)であるから dP/dr = dP/dρ*dρ/dr
として、(2)式を代入。ρとrに付いての微分方程式を解く。
結果 ρ(r) ∝ r^(1-γ) 検算をしてください。

以下は問題 2-3の要領で。
数式を見やすくするため v → V としてあります。

問題 2-2
dQ = dU + pdV (1)

2原子分子の内部エネルギU = (5/2)*RT = (5/2)*PV より
dU = (5/2)*d(pV) = 5pdV/2 + 5Vdp/2

これを(1)式に代入し、断熱 dQ = 0 の条件を入れて整理すると
7pdV/2 + 5Vdp/2 = 0
よって
dp/p = -(7/5)*dV/V
∫dp/p = -(7/5)∫dV/V
積分条件は Vc の時 Pc であるから
ln(P/Pc) = -(7/5)ln(V/Vc) = ln (V/Vc)^(-7/5) = ln(Vc/V)^(7/5)

P/Pc = (Vc/V)^(7/5)

P = Pc*(Vc/V)^γ  γ=7/5 (他の導出法より、2原子分子ではγ= Cp/Cv=7/5)
ρ= 1/V より

P = Pc* (ρ/ρ...続きを読む

Q溶解度積の問題について

解き方のわからない問題がありますので質問させていただきます。

ある種の金属イオンを含む水溶液に硫化水素を通すと金属硫化物が沈殿する。このとき、硫化水素は水溶液中で2段階に解離し、硫化物イオンを生成する。また、硫化物イオンは金属イオンとの間に溶解度積で表される溶解平衡が成立する。硫化物イオンに関する次の問いに答えよ。
ただし、H2SからS^2-が生成する反応の解離定数を1.0x10^-22 mol^2/dm^6、FeS CuS CdSの溶解度積をそれぞれ 10^-17 10^-35 10^-27 mol^2/dm^6 とする。

(2)Fe^2+の濃度が10^-3である水溶液に硫化水素を通して硫化水素で飽和させたとする。この溶液のpH=4および6の場合のFe^2+濃度を求めよ。
(3)Fe^2+ Cu^2+ Cd^2+をそれぞれ10^-3mol/dm^3含む水溶液に、硫化水素を通したところ、Fe^2+のみ沈殿しなかった。このときの溶液のpHの範囲を計算式を示して計算せよ。
(4)(3)の反応中、最初に生成する沈殿の化学式

長くなりましたがどうかよろしくお願いします。

解き方のわからない問題がありますので質問させていただきます。

ある種の金属イオンを含む水溶液に硫化水素を通すと金属硫化物が沈殿する。このとき、硫化水素は水溶液中で2段階に解離し、硫化物イオンを生成する。また、硫化物イオンは金属イオンとの間に溶解度積で表される溶解平衡が成立する。硫化物イオンに関する次の問いに答えよ。
ただし、H2SからS^2-が生成する反応の解離定数を1.0x10^-22 mol^2/dm^6、FeS CuS CdSの溶解度積をそれぞれ 10^-17 10^-35 10^-27 mol^2/dm^6 とする。

(2)Fe^...続きを読む

Aベストアンサー

最後に大事な点を補足しておきます。

硫化水素の水溶液には「H2S」「HS^-」「S^2-」の3種の化学種が含まれますが、
酸性域のpHでは殆ど100%近くが「H2S」の形になっています。

またこの問題では硫化水素の飽和濃度は0.1Mで、
条件は全て酸性域のpHだから、常に[H2S]≒0.1Mと見做せます。
また3種の金属イオンの濃度はどれも10^(-3)Mに設定されていますが、
仮に金属イオンがほぼ100%沈殿した場合、S^2-とは1:1のモル比で反応して沈殿を作るから、
酸性域のpHであれば、減少するH2Sの濃度は1%にも満たない事になります。
だからこれを無視しても十分に誤差は小さいと考えられます。

以上から、この問題に関しては常に[H2S]≒0.1と見做して、定数の様に扱う事が出来る訳です。
だから、[S^2-]≒{[H2S]*10^(-22)}/[H^+]^2=10^(-23)/[H^+]^2 と書けます。

Q生物で必要な最低限の熱力学についてです

熱力学は生物を勉強する上でも必要な分野ですが、
改めて自分の無知を感じています。

ΔG=ΔGo+0.616 In [B]/[A]

という式が(これ自体簡略化したものかもしれませんが)、生物の教書書に書いてありました。自由エネルギー変化の概念は少しずつ分かってきました。これは、37℃での例として書かれていたので、0.616の部分が温度に関係した係数かと思ったのですが、実際は違うのでしょうか?ネットで調べようという姿勢は良くないですが、お時間のある方おりましたらご教授下さい。

Aベストアンサー

まず、上記の式は、

ΔG = ΔG0 + R T ln [B]/[A]

だと思います。ln は自然対数 log_e です。R は気体定数 8.31451 J / K mol、 T は絶対温度 / K です。

あとは、熱力学というより単位の問題です。気体定数 R を kcal / K mol の単位で表すと、R = 0.001986 kcal / K mol。温度が 37℃なら、T = 37.00 + 273.15 = 310.15 K。このとき、R T の値は 0.616 kcal / mol になります。

R T の単位が kcal / mol ですと、ΔG の単位も必然的に kcal / mol ということになりますが、教科書はどうなっておりますか?

Q無水マレイン酸の溶解方法

無水マレイン酸は本来水又は湯で溶解可能でしょうか?
30%位で水では発熱してなんとか溶解できますが、その後常温にもどると再結晶化してしまいました。
水で溶解する際、溶解補助剤となり、その後の再結晶化を防ぐ助剤で何か良いものはありますか?
ちなみに含水マレイン酸では同じく水で溶解後再結晶化しますか?
するのであれば溶解補助と再結晶化防止としての助剤は何が良いでしょうか?
よろしくお願いします。

Aベストアンサー

無水マレイン酸、マレイン酸の溶解度は以下を参照。
http://en.wikipedia.org/wiki/Maleic_anhydride
http://en.wikipedia.org/wiki/Maleic_acid

無水マレイン酸の水に対する溶解度は40 g/100 mLと言うことなので、30 %(w/w)はほぼ飽和濃度を越えていると思われます。無水マレイン酸も溶解すればマレイン酸と同じ形になるはずですが、マレイン酸のほうが良く溶ける(物質量換算しても)みたいですね。

マレイン酸は電離度の小さい弱酸ですので、濃度を高くすると未電離のマレイン酸が増加して溶けなくなります。たくさん溶かしたいなら、NaOHなどを加えて電離を促してやればいいと思います。もちろんそれがあとの用途に影響なければですが。

Qエンタルピー 熱 体積

エンタルピーは熱と体積の変化による仕事量を同時に考慮した内部エネルギーの変化量というように説明されています。
式では ΔU=Q+W Q熱量 W仕事量 内部エネルギーの変化量ΔU
としてQ=ΔU-W
ΔU-WをHとしてH=エンタルピー
Q=ΔH としています。
内部エネルギーの変化量から仕事量を差し引いたものをH(エンタルピー)としています。
つまりエンタルピーとは熱量そのものではないでしょうか?
最初の説明は仕事量も含んでおり矛盾を感じています。

Aベストアンサー

H=U+pV
これが定義です。

この定義から
⊿H=⊿U+⊿(pV)
であり、⊿Hが⊿U-W (W=-∫pdV)と必ずしも等しいわけではありません。
あくまで⊿(pV)=∫pdV が成り立つときに⊿H=⊿U-W となるのです。

#1のおっしゃられる通り、pが一定の条件下では⊿(pV)=∫pdVが成り立ちますので熱の出入りとエンタルピーの変化が等しくなります。
例えば等温過程や定積過程では⊿(pV)と∫pdVは必ずしも一致しないため熱の出入りとエンタルピー変化は異なることが一般的です。

Q見かけの溶解度とはなにか

見かけの溶解度とは, いわゆる溶解度と何が異なるのでしょうか。
具体例で教えていただけるとうれしいです。

シクロデキストリンを使って、化合物Aの見かけの溶解度が.....
というような文章がありました。

何卒お願い申し上げます。

Aベストアンサー

水に溶けにくい物質(親油性、疎水性の物質)をシクロデキストリンに包接すれば、見かけ上水に溶けたようになります。シクロデキストリンに包接させたときに溶ける溶解度を見かけの溶解度といいます。普通の溶解度は、シクロデキストリンなどの補助剤を使わないときの溶解度ですね。
シクロデキストリンは、グルコースが環状に結合したもので、空洞部分が親油性で、外周部分は親水性です。親油性物質がこの空洞部分に入り込んで(包接)水に溶けるようになります。

いわば、1mしか泳げない人が浮き輪を使って10m泳げたというようなもので、1mが溶解度、10mが見かけの溶解度ということですね。


http://www.cyclochem.com/cd/o_001.html

Q水和エンタルピーと水和熱の関係

水和エンタルピーが上昇すると、水和熱は減少する。
この理解は正しいでしょうか?

Aベストアンサー

水和エンタルピー:ΔHが正で大きければ、大きな吸熱です。逆に負で絶対値が大きければ大きな発熱です。
ですから、ΔHが大きくなれば、水和時の発熱量は下がります。

Q溶解度積と溶解度の違いについて

CaCl2の溶解度積が4.0×10^(-11)であるのに対し,
CaCl2の溶解度が何であるか?という問題が解けず,困っております。

溶解度積の公式は承知しておりますが,
溶解度積から同様の物質の溶解度を解く方法などあるのでしょうか?
お力を貸して下さい。お願い致します。

Aベストアンサー

Ksp値から察すると多分「CaF2」でしょうか。


CaF2(固) ⇔ Ca^2+ + 2F^-

ここで注意する点は「HFが弱酸だから、F^-が無視できない程度加水分解する」可能性がある事です。

しかし問題がその点に触れていないから無視できるとして求めると、

[Ca^2+][F^-]^2=s*(2s)^2=4s^3=Ksp=4*10^(-11)

∴ 溶解度:s=(Ksp/4)^(1/3)=2.2*10^(-4)M


(計算してみると実際に無視できるようです)

Q溶解熱

LiClの溶解熱を求める問題でLiCl(s)が水に溶解するときは熱を放出するようです。
このときLiClの溶解熱は-になりますよね?
お願いします。

Aベストアンサー

溶解の時に発生する熱を溶解熱と定義するのであれば符号は+になるはずです。溶解のときのエンタルピー変化を議論するならーになるでしょう。
要は、どう定義するかということです。


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