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化学変化というと発熱を伴うという印象が強いのですが、熱が吸収される場合もあります。硝酸アンモニウムを水に溶解すると、大きな熱エネルギーの吸収が起こりことはよく知られています。この化学変化を利用して、水を凍らせてみました。


実験プリント版

「実験テーマ」反応熱で凍らせる!硝酸アンモニウムの水への溶解熱(吸熱)で氷ができる。

「サブタイトル」凍(こお)りゃ、大変だ!

「キーワード」熱化学方程式 吸熱反応

「準備物」100 mL  ビーカー 冷水50 mL  発泡スチロールカップ 温度計 硝酸アンモニウム16 g

「操 作」web非公開

「注意事項」

1.  冷水は、あらかじめペットボトルに少量の水を氷らせておいたものに、水を加えて使用すると良い。

2.  発泡スチロールカップの上は少し水でぬらしておくと氷ができやすい。

「解 説」

化学変化に伴うエネルギーの出入り:化学変化に伴う熱の出入りを考える場合、石油などの燃料を酸化・燃焼させるときのように、発熱反応を考えることが多いかと思います。それは、自然界における化学変化が、熱を放出して、より安定な状態に落ち着く方向にいくことが多いからです。しかし、エネルギーを周囲から得ようとする吸熱反応と呼ばれるものがあります。ここでは、イオン結晶である硝酸アンモニウムを水に溶解させることで、溶液の温度が低下することが確認しています。硝酸アンモニウムが水に溶解する際の反応式は…

NH4NO3 → NH4+ +  NO3

水に溶解してイオンとなった成分は、水分子と水和状態にあり、電気的に安定するのです。この溶解に伴って起こる熱の出入りは、次のように熱化学方程式で表すことができます。ただし、硝酸アンモニウムは、大量の水に溶解するので、その水をaqと表記し、単に溶解物の化学式の後に…省略…

NH4NO3(固) + aq = NH4NO3aq - 25.7kJ ・・・熱化学方程式

保冷剤に利用される:溶解時に吸熱反応を示すものとしては、尿素、塩化アンモニウム、硝酸バリウム等があります。特に、水酸化バリウム八水和物と硝酸アンモニウムの混合物が強烈です。水酸化バリウムから解離した水分子に、それぞれの成分が溶け込んで、熱エネルギーの吸収が起こるというものです。ただし、この反応では、アンモニアが発生するので、取り扱いに十分な注意が必要です。保冷剤の一部には、これら水に溶解する際の吸熱反応が利用されていて、混ぜ合わせると急冷する瞬間冷却パックがよく知られています。携帯できるので便利であるし、廃棄しても問題がさほどありません。ただし、硝酸アンモニウムそのものは多方面の製造において利用される物質で、肥料や医薬品、爆発物の原材料ともなるものです。


◇参考:レナード・A・フォード『化学マジック-化学を使う奇術百科』白揚社

◇参考:硝酸アンモニウムの爆発事故(2020.8.5)に関しての解説


◇このブログで発信する情報は、取扱いに注意を要する内容を含んでおり、実験材料・操作、解説の一部を非公開にしてあります。操作に一定のスキル・環境を要しますので、記事や映像を見ただけで実験を行うことは絶対にしないで下さい。詳細は、次の3書(管理者の単著作物)でも扱っているものがありますので参考になさってください。

  


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