熱化学とは？定義・エンタルピー・吸熱・発熱の基礎をやさしく解説

熱化学の基礎をやさしく解説：エンタルピー・吸熱・発熱の違いや熱容量・燃焼熱の計算まで、図解と例で直感的に理解できる入門ガイド

著者: Leandro Alegsa

17-09-2025 22:08

熱化学は、化学反応と物理的変化（物理的変化）を行うためのエネルギーと熱の研究です。物理的変化とは、物質（例えば固体や液体）の状態が別の状態に変化することです。変形の例としては、融解（固体が液体になるとき）や沸騰（液体が気体になるとき）などがあります。

反応はエネルギーを出したり、取り入れたりする。物理的な変化もまた、エネルギーを与えたり、取り込んだりします。熱化学はこのようなエネルギーの変化、特にシステムの周囲とのエネルギー交換に注目しています。熱化学は、ある反応の間、常に反応物と生成物の量を予測するのに役立ちます。熱化学者は、エントロピーの決定を含むデータを使用してこれを行います。熱化学者は、反応が自然発生的か非自然発生的か、好ましいか好ましくないかを判断します。

吸熱反応は熱を取り込む。発熱反応は熱を放出する。熱化学は、熱力学の概念と化学結合の形でのエネルギーの概念を組み合わせたものです。熱容量、燃焼熱、形成熱、エンタルピー、エントロピー、自由エネルギー、カロリーなどの計算が含まれています。

エンタルピー（ΔH）とは

エンタルピーは系の熱エネルギーを表す状態量の一つで、熱化学で中心的に扱われます。定義としては H = U + pV（内部エネルギー U に圧力–体積仕事 pV を足したもの）です。化学反応におけるエンタルピー変化は

ΔH = H(生成物) − H(反応物)

と表され、単位は通常J（ジュール）やkJ/molで示します。定圧条件では、反応で系が周囲とやり取りする熱量 q_p はエンタルピー変化にほぼ等しい：q_p ≒ ΔH（理想的には等しい）。このため実験的に反応熱（吸熱・発熱）を測るときは定圧カロリメーターがよく使われます。

吸熱反応と発熱反応

吸熱反応（endothermic）は系が周囲から熱を取り込む反応で、ΔHは正（ΔH > 0）です。例：光合成（6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2）は吸熱過程です。一方、発熱反応（exothermic）は熱を放出する反応で、ΔHは負（ΔH < 0）になります。例：メタンの燃焼 CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O は発熱で、標準燃焼熱は約 −890 kJ/mol 程度です。

熱容量・比熱と熱の計算

熱容量（C）は物質全体が1K（または1℃）温度を上げるのに必要な熱量で、比熱（c）は質量あたりの熱容量です。基本的な式は：

q = m c ΔT （質量 m の物質を比熱 c で ΔT だけ加熱したときの熱）

定圧比熱を用いる場合、系の温度変化から吸収・放出した熱量を求め、それをエンタルピー変化に結びつけます。単位はJ/(g·K)やJ/(mol·K)が一般的です。

測定法：カロリメトリーとヘスの法則

熱化学では実験的に熱量を測定する技術が重要です。代表的な装置に：

コーヒーカップ型カロリメーター（定圧）— 溶液反応などのΔH測定に便利。
ボムカロリメーター（定容）— 燃焼熱（ΔU）を正確に測定するのに用いられる。定容では測定値はΔUであり、ΔHとの換算が必要な場合もある。

ヘスの法則はエンタルピーが状態量（始状態と終状態のみで決まる）であることから、反応全体のエンタルピー変化は分解した経路のエンタルピー変化の和に等しい、という重要な法則です。これにより複雑な反応のΔHを既知の反応熱から求めることができます。

化学結合とエンタルピー

化学結合の形成は一般にエネルギーを放出し、結合の切断はエネルギーを要します。近似的には反応熱は「切断した結合のエネルギーの総和 − 生成した結合のエネルギーの総和」で見積もることができます（結合エネルギー和による近似）。ただし正確な値を出すには実験値や標準生成エンタルピー（ΔHf°）などを用いるのが普通です。

エントロピー（ΔS）と自由エネルギー（ΔG）との関係

熱化学はエンタルピーだけでなく、エントロピーと自由エネルギーの概念とも密接に結び付きます。ギブズ自由エネルギーは

ΔG = ΔH − TΔS

で表され、系が自発的に進むかどうかはΔGの符号で判断します（ΔG < 0 で自発）。したがって発熱・吸熱だけでなく、エントロピー変化も反応の起こりやすさに影響します。なお可逆的な熱の変化に対するエントロピー変化は ΔS = q_rev / T で与えられます。

まとめ（実用上のポイント）

ΔH<0：発熱、ΔH>0：吸熱。単位はJやkJ/mol。
定圧条件では q_p ≈ ΔH。定容条件では測定値はΔU（内部エネルギー変化）となる。
ヘスの法則、標準生成熱、結合エネルギー、カロリメトリーは熱化学の主要ツール。
反応の自発性はΔG = ΔH − TΔSで判断。エンタルピーだけでは決まらない点に注意。

以上が熱化学の基本的な考え方と実用上の要点です。より深く学ぶには標準エンタルピー表、カロリメーターの実験手法、熱力学第1・第2法則の理解を進めるとよいでしょう。

アントワーヌ・ラヴォワジエとピエール＝シモン・ラプラスによって1782年から83年の冬に使用された世界初の氷温計。様々な化学変化の際に発生する熱量を求めるために使用された。これらの計算は、ジョセフ・ブラックが以前に発見した潜熱に基づいています。これらの実験が熱化学の始まりです。

歴史

熱化学は2つのアイデアから始まりました。

ラヴォワジエとラプラスの法則（1780年）。任意の変換のためのエネルギー変化は、逆のプロセスのためのエネルギー変化と等しく、反対である。
ヘスの法則（1840年）。どのような変換のためのエネルギーの変化も、それが1つのステップであろうと、多くのステップであろうと同じである。

これらの発見は、熱力学の第一法則（1845年）よりも前に行われました。これらの発見は科学者がこの法則を理解するのに役立ちました

エドワード・ディアスとヘスは比熱と潜熱を研究した。ジョセフ・ブラックは潜在エネルギーの変化の概念を開発した。

グスタフ・キルヒホフは、反応熱の変化は、生成物と反応物の熱容量の差で与えられることを1858年に示した。\♪over \partial T}= ${{\partial \Delta H} \over \partial T}=\Delta C_{p}$ .この式を積分することで、ある温度での反応熱を別の温度での測定値から評価することができます。

熱量測定

熱の変化を測定することを熱量測定といいます。化学反応や物理的変化の熱を測定します。熱量計と呼ばれる熱量測定のための装置は、通常、チャンバー内に密閉されたものである。

熱量測定にはこのようなステップがあります。化学者がチャンバー内で変化を起こす。チャンバーの温度は、温度計または熱電対を使用して測定されます。温度を時間に対してプロットしてグラフを作成します。化学者はこのグラフを使って基本的な量を計算します。

最近の熱量計には、温度を測定し、計算されたデータを素早く与える小型のコンピュータが搭載されています。その一例が示差走査熱量計（DSC）です。

システム

熱化学では、いくつかの熱力学的な定義が非常に有用です。システム」とは、研究されている宇宙の特定の部分のことです。システムの外にあるものはすべて周囲や環境とみなされます。システムは可能性があります。

隔離されたシステム - 絶縁された爆弾熱量計のように、周囲とエネルギーや物質を交換することができない場合。
閉じたシステム - スチームラジエーターのように、エネルギーを交換しても周囲と物質を交換できない場合。
開放系 - 物質とエネルギーの両方を周囲と交換することができる場合、例えば、沸騰したお湯の鍋。

プロセス

システムは、その特性（特性）の一つ以上が変化するときに「プロセス」を経る。プロセスは、状態の変化に関連している（結びついている）。等温(同じ温度)プロセスは、システムの温度が同じままであるときに起こります。等圧（同じ圧力）プロセスは、システムの圧力が同じままのときに起こります。断熱（熱交換なし）プロセスは、熱が移動しない場合に発生します。

質問と回答

Q:熱化学とは何ですか?

A: 熱化学は、化学反応や物理的変換に関連するエネルギーと熱を研究する学問です。

Q: 物理的変化の例にはどんなものがありますか?

A: 物理的変化の例としては、融解（固体が液体になること）、沸騰（液体が液体になること）などがあります。

Q: 熱化学は、反応物や生成物の量を予測するのにどのように役立つのですか?

A: 熱化学者は、エントロピーの決定を含むデータを使用して、ある反応中のすべての時間における反応物および生成物の量を予測します。

Q: 吸熱反応は有利か不利か?

A: 吸熱反応は不利である。

Q: 発熱反応は好ましいか、好ましくないか?

A: 発熱反応は有利である。

Q: 熱化学はどのような概念を組み合わせているのですか?

A: 熱化学は、熱力学の概念と化学結合の形のエネルギーという概念を組み合わせたものです。

Q: 熱化学者はどのような計算をするのですか?

A: 熱容量、燃焼熱、生成熱、エンタルピー、エントロピー、自由エネルギー、カロリーなどの計算を行います。

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