吸熱反応で吸収される熱はどこにあったものですか

質問

発熱反応の熱は反応前の物質の中にあったものだろうと思っていますが、吸熱反応の場合も同じなのでしょうか。

回答No.6

jamf0421 · ベストアンサー

> エントロピー増大の方向ですね。ご教示ありがとうございます。

その表現だとすこし大雑把すぎます。熱力学第二法則の意味のエントロピー増大に当る量は変化の前後で等温等圧の条件では-ΔGに対応しています。
Clausiusの式ではdS≧dQ/Tです。等号は可逆の時成立します。dS=dQ/T+dQ'/Tと書いて、dQ'を非補正熱と呼びます。dQ/T=dSe, dQ'/T=dSiと書けばdS=dSe+dSiですが、エントロピー増大の法則の主張するところはdSi≧0(等号は可逆変化）であります。dSeは正でも負でもとります。だから反応の前後でエントロピーが減少するものでもGが下がれば進行しますが、これはSeでは減少であるがSiとしては増大しているからです。
さて、dU=dQ-pdVのdQにTdS-dQ'を入れてやれば
dU=dQ-pdV=TdS-pdV-dQ'...(1)
となります。これでSとVが変化の前後で不変であればdU=-dQ'≦0ですから、Uの変化量dUが-dQ'に等しく、しかもdQ'が変化するとすれば必ず正ですからdUは必ず負に変化します。以下同様の計算をすれば
dG=-SdT+Vdp-dQ'...(2)
は容易に導けます。ここでTとPが変化の前後で不変であれば、dG=-dQ'≦0です。T、Pが変わらないなら変化が起こるのはGが減る方向です。そしてこれは非補正熱に等しいです。つまりGの変化をTで割ったものが、エントロピー生成なのです。

> 反応にあづかる電子のレベルではどうなのでしょうか。
電子だけというのもおかしいので、大雑把に言えば核の配置が適正になって電子のエネルギー状態が決まり、系のエネルギーが決まり、そのエネルギーが原系より下がっていて、その分のエネルギーが熱として解放されるのが発熱反応です。
逆に塩が水に溶けるような話ではNaClのイオン結晶の格子がバラバラにされ、それぞれのイオンの周囲に水が配位した形になりますが、全体ではエネルギー状態は高くなります。中味はイオンを引き離すとか、水を配位させるかとかによるエネルギー変化です。エネルギーが高くなるので吸熱となります。しかし（変化の前後で等温等圧の場合）全体としてみた場合、混じる事によるとり得る状態数の増大に基くエントロピー増大が勝ってGが下がり、そちらの方にいくのです。

お礼

たくさん勉強の指針をいただきまして誠にありがたいことと感謝いたします。補足の方へ少し別のことを書かせていただきました。

補足

生物ではＡＴＰが分解されてＡＤＰとリン酸になる反応とカップルして目的とする吸熱反応が生じることもご教示に合わせて考えてみると分かりやすくなるかと考えました。

回答No.5

jamf0421

発熱反応ならより安定な結合になって余ったエネルギーが解放される熱になります。反応前後で等温なら外界（熱だめ）へ熱を放出しますし、断熱なら系自身の温度があがります。
吸熱反応なら結合としてはより不安定になるがエントロピー増大（乱雑さが増える）があって反応は進みます。反応前後で等温なら外界から熱を貰いますし、断熱なら系自身の温度が下がります。

お礼

エントロピー増大の方向ですね。ご教示ありがとうございます。

補足

反応にあづかる電子のレベルではどうなのでしょうか。

回答No.4

Saturn5

実は発熱反応も吸熱反応も、反応の最初のステップは吸熱反応です。

２Ｈ２　＋　Ｏ２　＝　２Ｈ２Ｏ　＋　Ｑ
この反応は全体としては吸熱反応ですが、これを
以下のように２つのステップに分けて考えます。
(1) ２Ｈ２ ＋ Ｏ２　→ ４Ｈ　＋ ２Ｏ　－Ｑ１
(2)　４Ｈ　＋　２Ｏ　→ ２Ｈ２Ｏ　＋　Ｑ２

(1)は水素分子と酸素分子が原子に近い状態になる反応です。
Ｈ２やＯ２は分子の方が安定で、それを引き離す訳ですから、
これは必ず吸熱反応となります。
(2)は原子に近い状態のＨとＯからＨ２Ｏができる反応です。
新しい結合ができますので必ず発熱反応となります。

この反応では、Ｑ２＞Ｑ１ となっていますので、発熱反応となります。
場合によって、Ｑ１＞Ｑ２ になっていれば吸熱反応です。

それでは、最初の吸熱反応のエネルギーはどこからくるのか？
それは現状の温度にあります。我々は通常は１０℃～３０℃くらいの
世界で生活しています。Ｋで表すと２８３Ｋから３０３Ｋくらいです。
ですから、全ての物質は絶対零度の状態よりも熱エネルギーを持って
いるのです。この温度が下がることによってエネルギーを与えるのです。

逆に言うと絶対零度に近い状態では全ての化学反応がおこりません。
爆発物処理などで、液体窒素をかけながら操作をしているのを見た
ことがありませんか？あれは温度を下げると爆発しにくくなるからです。

補足

活性化エネルギーとも関係するのでしょうか。また電子の状態との関連などもあるのでしょうか。

回答No.3

NiPdPt

物質は原子が化学結合でつながってできています。その結合の強さは原子の組み合わせなどによって違います。

で、化学反応というのはある結合が切れて、別の結合ができることによって、別の物質に変化する現象を意味します。

ということは結合している原子の組み合わせが変化します。

そうすれば結合の強さも変化し、その変化に伴って、通常は熱エネルギーの出入りが起こります。

反応系全体でのトータルの結合エネルギーの変化に伴って反応熱が生じます。実際には発熱のことが多いですが、吸熱の場合もあります。ただし、現実問題として、溶液であれば溶媒和なども考慮する必要がありますし、実際に吸熱反応が起こる理由に関する詳細な議論をするためにはエントロピーとか自由エネルギーの議論が必要になり、かなり難しいです。

＞発熱反応の熱は反応前の物質の中にあったものだろうと思っていますが、吸熱反応の場合も同じなのでしょうか。
溶媒和などの話を除外すれば、いずれも結合エネルギーに起因するので、概ねそのとおりです。ただ、反応の前後の熱に関する大小関係が逆になっているだけです。

お礼

おかげ様で自分なりにかなり理解できたように思います。ご教示ありがとうございました。生化学の反応でＡＴＰが必要とされる反応でも同じように考えてよいというように理解いたしました。

回答No.2

htms42

＃１の発熱反応の説明は引用間違いです。
wikiの説明の相変化の部分を引用しています。
その文章の後ろに結合の変化の説明があります。

お礼

ご教示ありがとうございました。

回答No.1

4500rpm

吸熱反応だと反応が進むにつれエネルギーを周りから吸収するため、反応を進行させるためにはエネルギーを与えてやる必要があります。
反応なら加熱などが必要です。
水に溶解させた場合は、周りから熱を奪い溶液の温度が下がります。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%90%B8%E7%86%B1%E5%8F%8D%E5%BF%9C

発熱反応
「ある程度自由に運動していた分子、原子、イオンなどが、分子間力、水素結合やイオン結合によって束縛され、余分な運動エネルギーが熱となることによる。」
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%99%BA%E7%86%B1%E5%8F%8D%E5%BF%9C

お礼

ご回答ありがとうございます。分子のレベルでのイメージがつかめないのです。