【理論化学】格子エネルギー・ダイヤモンドの結合エネルギーを簡単に解説!高校化学選択をしている受験生や高校生は必見!

理論化学の解説(格子エネルギー・ダイヤモンドの結合エネルギーとは)

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化学科を卒業して予備校講師(模擬試験作成)をしていた予備校講師の休日です。化学を放置すると忘れていくので、備忘録代わりに受験生にも役立つ高校化学の情報をまとめておこうと思い、この記事を作成しました!できれば、勉強法のTwitter(こっちがメイン)もフォローしてもらえると嬉しい^^勉強関連やTOEIC関連でこうやったら勉強できるなど気づいたことをどんどんツイートしていますので!化学関連の解説記事一覧・目次はコチラから。

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格子エネルギーとは?

Twitterの原文ママ

格子エネルギーってのは、固体の結晶が気体のイオン状態でバラバラになるのに必要なエネルギーのこと。例えば、NaClの固体結晶が気体のNa+とCl-のイオンになるのに必要なエネルギーのことを指しますぜ。

解説コメント

格子エネルギーって直接求めづらいんですね。

なので、他の熱量やエネルギーの値を用いて、間接的に格子エネルギーを求める。その時に用いるのが、ボルン・ハーバーサイクルってやつ。阪大とかでも出てきたことあるね。このエネルギー図の話。

それでは、NaClの格子エネルギーが何 kJ であるかを求めていこう。

  1. Na(固)の昇華熱は-107 kJ
  2. Cl2(気)の解離エネルギーは 238 kJ
  3. Na(気)のイオン化エネルギーは488 kJ
  4. Cl(気)の電子親和力は361 kJ
  5. NaClがNa+とCl-になるのに必要な格子エネルギーがX〔kJ〕
  6. Na(固)と1/2Cl2(気)からNaClが生成する時に発する生成熱が405 kJ

これを踏まえて、熱化学方程式を書いていくと、

  1. Na(固)+107 kJ = Na(気)
  2. Cl2(気)+238 kJ = 2Cl(気)
  3. Na(気)+488 kJ = Na+(気)+e-
  4. Cl(気)+e- →Cl-(気)+361 kJ
  5. NaCl(固)+X〔kJ〕→ Na+(気)+Cl-(気)
  6. Na(固)+1/2Cl2(気) → NaCl(固)+405 kJ

とまあ、こんな感じ。これをエネルギー図を用いて、格子エネルギーがいくらであるかを求めればOK!!! エネルギー図を書く時のポイントは解離エネルギーの式(式2)を半分の値にすること。(ポイントっていうほどでもないか。)

そんな感じでエネルギー図を用いて、求めると、NaClの格子エネルギーは748 kJとなる。

ダイヤモンドの結合エネルギーを求める

Twitterの原文ママ

ダイヤモンドの結合エネルギーをC(ダ)=C(気)-714.8 kJから求めるとして、どうやって求めますか?ダイヤモンド中の炭素原子1原子あたり何個の共有結合があるだろう。答えは2個。4÷2ね。意味不明ならURLへ直行!

解説コメント

以下の式が与えられている。ダイヤモンドの結合エネルギーを求めてみよう。(阪大で2009年に出題)

C(ダイヤモンド)=C(気)−714.8 kJ ……①

ダイヤモンド中のある1つの炭素原子に注目すると、4本の共有結合を作ってる。1本1本の共有結合は相手の炭素原子と一緒に協力して共有結合を作ってるわけ。つまり、1本あたり0.5本分がある1つの炭素原子の持ち分となるわな。

つまり、4本のうちの半分がある1つの炭素原子の共有結合の持ち分と言えるだろ?

つまり、C原子1本あたり、2本の共有結合をもってるってわけだ。

式①から、1 molのダイヤモンドの共有結合を全部切って、C(気)にしてしまうときに必要なエネルギーは714.8 kJとなる。

C-Cの結合エネルギー(1molのX-Xの結合を切断するのに必要なエネルギー)は714.8÷2 = 357.4 kJとなるよって話だわ。これがC-Cの結合エネルギー。

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ニシジマ

ゆとり世代ど真ん中に爆誕。円周率は3だと信じて疑わない。大学卒業後,予備校で勤務しており,化学を担当。主な業務は,模擬試験作成と入試解説の執筆。大学時代の専攻は物理化学であるが,難解すぎて意味があまりわからない。