[問題] 次の文章を読み, 問1～5に答えなさい。必要があれば以下の値を使用すること。
原子量 H 1.0, Li 6.9, C 12.0 結合エネルギー(kJ・mol-1) H-H 436, H-O 463, O=O 496 アボガドロ定数 NA 6.0×1023 mol-1.
1 mol の水素ガス H2 の燃焼反応は, 下記の熱化学方程式 (1) で与えられる。
H2(気) + (1/2)O2(気) = H2O(液) + 286 kJ …(1)
この反応は, 石炭や石油等の化石燃料を燃焼させたときに発生する二酸化炭素や窒素酸化物を出さないので, 水素ガスは地球に優しい燃料の候補として注目されている。
また, 水素ガスは質量当りの燃焼エネルギーがあらゆる物質の中で最大である。石炭, 石油が燃えて二酸化炭素と水になるとき, 質量 1 g 当りの燃焼エネルギーは, それぞれ約 30 kJ, 約 46 kJ である。それに対して, 水素ガスの質量 1 g 当りの燃焼エネルギーは( a )kJ である。
これらの理由から, 水素ガスを自動車等の燃料に使うという魅力的な見通しが生まれる。しかし, 水素ガスが燃料として一般的に利用されるためには克服しなければならない問題がいくつかある。
まずは, 十分な量の水素ガスをどうすれば確保できるかという問題である。地球上に水素は大量に存在するが, ほぼすべての水素は化合物に組み込まれていて, 水素ガスとしてはほとんど存在しない。したがって, 燃料に使う水素ガスを得るには, 水素を含む化合物から水素ガスを製造する必要がある。
燃料に使う水素ガスは, 主に, 天然ガスの主成分であるメタン CH4 と水蒸気 H2O の反応により製造されている。その反応は, 下記の熱化学方程式 (2) で与えられる。
CH4(気) + 2H2O(気) = 4H2(気) + CO2(気) - 165 kJ …(2)
しかし, この水素ガス製造法は化石燃料に依存しており, 二酸化炭素の発生を抑えることにはならない。そのため化石燃料を用いずに水素ガスを効率的に製造する方法の研究開発が続けられている。
克服しなければならないもう一つの問題は, 水素の貯蔵と輸送に関してである。室温の1気圧下では, 水素ガスの体積は質量 1g 当り約 12L にもなる。体積を減らすために加圧すると肉厚の金属容器が必要となり, その質量のために, 質量当りの燃焼エネルギーが高いという水素ガスの利点が失われる。
体積を減らす他の方法として, 水素ガスを金属と反応させて化合物を作る方法がある。例えば, 水素ガスと金属リチウム Li を反応させて①固体の LiH を作ると, その体積は水素の質量 1g 当り, わずか( b )ml になる。その化学反応式は式 (3) で与えられる。
H2 + 2Li → 2LiH …(3)
生成した LiH を水と反応させると水素ガスが生成し, これを燃料に使うことができる。水素貯蔵の効率を上げるために, 様々な水素化合物に関する研究が続けられている。
問1 熱化学方程式 (1) から( a )の値を有効数字2桁で求めなさい。
答
問2 [問題]で与えられた結合エネルギーの値を用いて, 水素ガスの質量 1g 当りの燃焼エネルギーを有効数字2桁で求めなさい。求めた値が問1で求めた( a )の値と一致するかどうかを答えなさい。また, その理由を40字程度で述べなさい。
答
問3 熱化学方程式 (2) の反応を用いてメタンから水素ガスを製造し, その水素ガスを燃焼してエネルギーを得る場合, メタン 1g 当り何kJ のエネルギーが得られますか。有効数字2桁で求めなさい。ただし, 水の蒸発熱は 44 kJ・mol-1とする。
答
問4 Li 原子の最外殻電子に働く原子核の正電荷は, 他の電子の電荷で打ち消されて, 近似的に +1 と考えられる。下線部①の固体のLiH中では, Li 原子と H 原子の間に電荷の偏りが起きている。どちらの原子に負電荷が偏るかを答えなさい。また, その理由を, Li 原子と H 原子の電子配置に基づいて, 40字程度で述べなさい。
答
問5 ( b )の値を有効数字2桁で求めなさい。ただし, LiH の結晶構造は, 図1に示す塩化ナトリウム型構造をとり, 隣り合う Li 原子と H 原子の距離は 0.20 nm とする。
(image561)答