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問1の答

　標準生成エンタルピー変化 ΔH^Θf は, ひとつの化合物がその元素から生成されるときの標準エンタルピー変化である。


　これは次のように定義される ：

●　標準生成エンタルピー変化 ΔH^Θf は, ひとつの化合物がその元素から生成されるときの標準エンタルピー変化である。またそれは時には '生成の標準エンタルピー' あるいは '標準生成エンタルピー' と呼ばれている。

　例えば, ガス状二酸化炭素の標準生成エンタルピー変化は次のように表わされる ：

　　C(s) + O2(g) → CO2(g)　ΔH^Θf(297K) = -393.5 kJ mol^-1

　ここで
●　温度は記述されねばならない (この場合には, 298K),
●　全ての物質は記述された温度で標準状態で存在する (この場合, C(s) は固体黒鉛で, 炭素のより不安定形であるダイアモンドではない),
●　圧力は 1 bar である,
● エンタルピー変化は生成される化合物の 1モル当りで測定される (この場合, それは二酸化炭素である)。

　注意として, 基準状態での元素の標準生成エンタルピー変化は定義によってゼロである。


Answer of Q1

　The standard enthalpy change of formation ΔH^Θf is the standard enthalpy change when a compound is formed from its elements.


　This is defined as follows ：

● The standard enthalpy change of formation ΔH^Θf is the standard enthalpy change when a compound is formed from its elements. Also it is sometimes called the 'standard enthalpy of formation' or the 'standard formation enthalpy'.

　For example, the standard enthalpy change of formation of gaseous carbon dioxide is represented as follows ：

　　C(s) + O2(g) → CO2(g)　ΔH^Θf(297K) = -393.5 kJ mol^-1

　Here
●　the temperature must be stated (in this example, 298K),
●　all substances are in their standard state at the stated temperature (in this example, C(s) is solid graphite, not diamond which is the less stable form of carbon),
●　pressure is 1 bar,
●　the enthalpy change is measured per mole of the compound formed (in this example, it is carbon dioxide).

　Note that the standard enthalpy change of formation of an element in its reference state is zero, by definition.


問2の答

　ヘスの法則によってひとつの反応に対する標準エンタルピー変化は反応物から生成物への経路には無関係であるので, ひとつの式が次のように示される ；

　　ΔH^Θ = ΔH^Θ1 + ΔH^Θ2,

　ここで, 標準エンタルピー変化 ΔH^Θ は直接の経路で, そして ΔH^Θ1 と ΔH^Θ2 は間接の経路に相当する。それはエンタルピーサイクルと呼ばれている。それ故, ヘスの法則は既値の標準エンタルピー変化からどんな反応に対しても標準エンタルピー変化を計算することがなされ得る。


　エネルギー転移としてのヘスの法則は次のように示される ：
●　ひとつの反応に対しての標準エンタルピー変化は反応物から生成物への経路に依存しない。

　ヘスの法則は図式的に次のように加算される ： ΔH^Θ = ΔH^Θ1 + ΔH^Θ2, ここでΔH^Θ は直接的経路でΔH^Θ1 とΔH^Θ2 は間接的経路に参照されて, それはエンタルピーサイクルと呼ばれる。それ故ヘスの法則は既値の標準エンタルピー変化からどんな反応に対しても標準エンタルピー変化を計算するのに使用される。

　如何なる反応に対しても, それは2つの半経路で行われるように考慮される, すなわち反応物を元素へ逆戻り的に変えた後に, それらの元素から生成物をつくることである。後者の経路は前者の経路の逆に対応している。

　それ故, 全標準エンタルピー変化は生成物の標準生成エンタルピー変化 ひく 反応物の標準生成エンタルピー変化に等しい。


Answer of Q2

　As the standard enthalpy change for a reaction is independent of the route from the reactants to the products by Hess's law, an equation is shown as follows ：

　　ΔH^Θ = ΔH^Θ1 + ΔH^Θ2,

　where the standard enthalpy change, ΔH^Θ, refers the direct route and ΔH^Θ1 and ΔH^Θ2 refer the indirect route, called an enthalpy cycle. Therefore, Hess' law may be used to calculate the standard enthalpy change for any reaction from known standard enthalpy changes.


　Hess's law as an energy conversion is shown as follows ：
●　The standard enthalpy change for a reaction is independent of the route from the reactants to the products.

　Hess's law is summarized diagrammatically ： ΔH^Θ = ΔH^Θ1 + ΔH^Θ2, where ΔH^Θ refers the direct route and ΔH^Θ1 and ΔH^Θ2 refer the indirect route, called an enthalpy cycle. Therefore, Hess' law may be used to calculate the standard enthalpy change for any reaction from known standard enthalpy changes.

　For any reaction, it is considered as taking place in two halves, that is, after having turned the reactants back into their elements, making the products from their elements. The latter step corresponds to the reverse of the former step.
　Hence the overall standard enthalpy change is equal to the standard enthalpy change of formation of the products minus the standard enthalpy change of formation of the reactants ：

　　ΔH^Θ = ΔH^Θf(products) - ΔH^Θf(reactants)


問3

　i の答　　-875 [kJ/mol]


　全標準エンタルピー変化は(生成物の標準生成エンタルピー変化) ひく (反応物の標準生成エンタルピー変化) に等しい ：

　　ΔH^Θ = ΔH^Θf(products) - ΔH^Θf(reactants)

　上式を考慮して, そこでこの反応に対しての式が次のように表わされる。

　　ΔH^Θ = {3×ΔH^Θf(HF) + ΔH^Θf(NF3)} - {ΔH^Θf(NH3) + 3×ΔH^Θf(F2)},

　ここで ΔH^Θ は全標準エンタルピー変化である。

　したがって,

　　ΔH^Θ = {3×(-269) + (-114)} - {(-46) + 3×(0)} = -875 [kJ/mol]


Q3

　Answer of i　　　-875 [kJ/mol]


　As the overall standard enthalpy change is equal to the standard enthalpy change of formation of the products minus the standard enthalpy change of formation of the reactants　：

　　ΔH^Θ = ΔH^Θf(products) - ΔH^Θf(reactants)

　Consider the equation above. And so the equation for this reaction is represented as follows.

　　ΔH^Θ = {3×ΔH^Θf(HF) + ΔH^Θf(NF3)} - {ΔH^Θf(NH3) + 3×ΔH^Θf(F2)},

　where ΔH^Θ is the overall standard enthalpy change.

　Accordingly,

　　ΔH^Θ = {3×(-269) + (-114)} - {(-46) + 3×(0)} = -875 [kJ/mol]


　ii の答　　　-864 [kJ/mol]


ステップ 1　その反応を原子状にする。

　1 モルのアンモニア分子と 3 モルのフッ素分子を原子状にこわす。その標準エンタルピー変化は,

　　1×{3×(+388)} + 3×(+158) = +1638 [kJ/mol]

　である。

ステップ 2　3 モルの H-F 結合と 3 モルの N-F 結合を形成する。　その標準エンタルピー変化は,

　　3×(-562) + 3×(-272) = -2502 [kJ/mol]

　である。

ステップ 3　標準エンタルピー変化を加算し全エンタルピー変化を計算する。その標準エンタルピー変化は,

　　(+1638) + (-2502) = -864 [kJ/mol]

　である。


　Answer of ii　　　-864 [kJ/mol]


Step 1　Atomize the reactions.

　Break into atoms 1 mol of ammonia molecules and 3 mol of fluorine molecules. The standard enthalpy change is ：

　　1×{3×(+388)} + 3×(+158) = +1638 [kJ/mol]

Step 2　Form 3 mol of H-F bonds and 3 mol of N-F bonds. The standard enthalpy change is ：

　　3×(-562) + 3×(-272) = -2502 [kJ/mol]


Step 3　Sum the standard enthalpy changes to calculate the overall standard enthalpy change. The standard enthalpy change is ：

　　(+1638) + (-2502) = -864 [kJ/mol]


問4の答

　[理由]　問3i の答の値は標準生成エンタルピー変化のデータを使用して計算されている。それらのデータは, 反応間において正確に直接的に放出する熱を測定し, すなわち熱量計中の温度変化を実験的に測定し比較的簡単な計算を実行することによって得られる。
　一方, 問3ii の標準エンタルピー変化の計算は反応にたいして化合物の広範囲にわたっての平均結合エンタルピーを用いており, 化合物においてちょうどそのものではない。


　問3i の答の値は標準生成エンタルピー変化のデータを使用して計算されている。それらのデータは正確で直接的に反応間において放出する熱を測定, すなわち熱量計中の温度変化を実験的に測定し比較的簡単な計算を実行することによって得られる。

　一方, 問3ii の標準エンタルピー変化の計算は反応にたいして化合物の広範囲にわたっての平均結合エンタルピーを用いており, 化合物においてちょうどそのものではない。

　そこで, 平均結合エンタルピーに基づいた計算結果と特定の実験データに基づいたものの間に違いが存在する。

　しかしながら, 結合エンタルピーは容易に理解して処理でき, そして共有結合の物質を含む反応の標準エンタルピー変化において正確で充分な明示を与える。


Answer of Q4

[Reason]　The answer of Q3i is calculated using the standard molar enthalpy change of formation (ΔH^Θf) data. The data are accurately straightforward to measure the heat evolved during a reaction by experimental measuring the temperature change in calorimeter and carrying out a relatively simple calculation.
　On the other hand, the calculation of standard enthalpy change in Q3ii uses the average bond enthalpy in the full range of compounds for the reaction, not just in the compounds.



　The answer of Q3i is calculated using the standard molar enthalpy change of formation (ΔH^Θf) data. The data are fairly straightforward to measure the heat evolved during a reaction by experimental measuring the temperature change in calorimeter and carrying out a relatively simple calculation.

　On the other hand, the calculation of standard enthalpy change in Q3ii uses the average bond enthalpy in the full range of compounds for the reaction, not just in the compounds.

　So, there is a difference between the result of calculations based on average bond enthalpy and that based on specific experimental data.

　However, the bond enthalpies are generally easy to understand and to manipulate, and usually give an accurate enough indication of the standard enthalpy change of a reaction involving covalent bond's substances.