アセチレンが燃焼したときのエネルギー

質問

「アセチレンは燃えると非常に高温の炎を出すので、酸素-アセチレン溶接に使われる。この分子の結合の性格について述べ、それが酸素中で燃えるときに放出される大量のエネルギーの源を説明せよ。」

という問題を解きたいのですが・・・
いくら調べても「三重結合を持つ不飽和炭化水素のため反応性が大きい」ということくらいしかわかりません。
もう少し詳しく知りたいのですが・・・よろしくお願いします＞＜

回答No.6

DexMachina · ベストアンサー

No.4です。

順番が前後してしまって申し訳ありませんが、No.1の方の回答への補足
についての横レスをさせていただきます。

> 反応しやすければエネルギーが発生しやすい

「反応しなければエネルギーが発生しない」という意味では正しいですが、
「反応しやすい＝発生エネルギーが大きい」という意味では誤りです。
(普通は下側の意味で言うと思いますので、結論としては「誤り」になります)

「反応のしやすさ」は「励起状態のエネルギーの高低」によります。
この「ハードル」が低ければ反応しやすく、高ければ反応しにくくなります。
一方、「発生エネルギーの大きさ」は、「反応前の状態と反応後の状態の
エネルギーの差」によります。

それぞれの状態のエネルギーが下図の関係にあった場合を例にすると、
　最も反応が進みやすい　；　「a)」 (「反応前→励起状態」の差が最小)
　最も発熱量が大きい　　 ；　「c)」 (「反応前～反応後」の差が最大)
ということになります。
(なお、「a)」と「b)」は「H」が同じなので、発熱量も同じになります)

a)　　　　　　　励起状態
　反応前＿／＼
　 H↓　　　　　　 ＼＿反応後

b)　　　　　　　　　励起状態
　　　　　　　　　／＼
　反応前＿／　　　　＼
　 H↓　　　　　　　　　　＼＿反応後

c)　　　　　　　　　励起状態
　　　　　　　　　／＼
　反応前＿／　　　　＼
　　 ｜　　　　　　　　　　 ＼
　 H↓　　　　　　　　　　　　 ＼＿反応後

従って、「反応のしやすさ」と「発熱量の大きさ」には、直接的な相関関係は
ないことになります。

お礼

とてもわかりやすい回答、ありがとうございます。
難しく考えすぎて混乱していたようです・・・
問題には直接関係のないことまで答えていただき、本当にありがとうございます。
なんとか解答が書けそうです！

回答No.5

anthracene

結合エネルギーから導出される反応熱だけでなく、燃焼反応の起こりやすさ（活性化エネルギー）の面からアセチレンがエタンよりも良いということなのかもしれません。
エタンの場合は切れる結合は全て強い単結合なので、原子化するのに大量のエネルギーが必要でしょうから、燃焼を開始するのに多量のエネルギーがとられることが予想されます。
一方、アセチレンは、2本弱い結合を持っていて、より容易に燃焼反応を開始できると考えられます。

酸素との混和のしやすさとか、そういった面でも良いのかもしれないですが、そこらへんはNO.2さんがお詳しそうですね。

お礼

燃焼の開始にエネルギーが必要だということは考えてもみませんでした。
単結合の方が強いのになんで！？と思っておりましたので；；
ありがとうございました＾＾

回答No.4

DexMachina

ご質問の問題なのですが、これはともにアセチレンについてではあるものの、
　・性質を述べよ
　・エネルギー源の説明をせよ
という、それぞれ別個の問題と捉えた方がよいのではないでしょうか。

つまり、性質については質問文中で仰られている通り「反応性」を答えればよく、
エネルギー源については三重結合の結合エネルギーの大きさについて答えれば
よいのではないかと思います。

なお、ここでいう「三重結合のエネルギー」とは、
「三重結合を二重結合にするのに必要なエネルギー」ではなく、
「三重結合を全て切り離すのに必要なエネルギー」のことです。
(値としては、「C－C」で347kJ、「C≡C」で836kJ)

　*結合1個(≒原子1個)から解放されるエネルギーが大きいと、燃焼後の分子が
　　受ける「分子1個当たりのエネルギー」も大きくなるため、結果として燃焼後の
　　温度も高くなります。
　 (燃焼熱をアセチレンとエタンで単純比較すると、水素原子が多い分、エタンの
　　方が大きくなってしまいます(・・・私の計算間違い・勘違いでなければですが))

回答No.3

anthracene

反応系と生成系のエネルギー差を考えてみてはどうですか？
結合が弱い＝反応性が高い＝反応系（原系）が不安定＝生成系とのエネルギー差が拡大

本当は、切断されるすべての結合（C-C単結合、パイ結合、C-H結合、O-O二重結合）と生成するすべての結合（C-O二重結合、O-H単結合）のエネルギーを考慮しないといけませんが、ここではアセチレンに絞って考えてみることにすると、アセチレンの不安定性が生成系へ行く（＝燃える）ドライビングフォースとなっている、ということをこの問題では聞きたいのだと思います。

回答No.2

kamejiro

ウィキペディアでも三重結合の観点で解説されていますね。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A8%E3%83%81%E3%83%B3

ガス溶接業務に携わっている者なので、化学的な観点（化学式、化学反応式を主とした観点）からは説明できません。

実務の観点からなので、質問事項とは異なりますが、コメントさせて下さい。
アセチレンの特徴は、
・可燃性ガスである
・可燃性ガスの中で最も分解爆発しやすい
・空気中に2.3％以上あれば、分解爆発の恐れがある
・燃焼爆発の条件は三要素（酸素・可燃性ガス・点火源）であるが、酸素がなくても燃焼爆発する
・爆発すると体積は10倍にも拡大する

取扱上において
・出力圧力は、0.3kg/平方cmメートルで、着火すると、空気中の酸素と反応し赤っぽい拡散炎と呼ばれる1,400℃程の炎になる。
・これに酸素を3kg/平方cmメートルの出力圧力で出すと、青白い炎で3,300℃の高温を出す。予め酸素を加えているので、予混合炎と呼ばれる。この火炎で溶接が可能である。
・発火温度が低い

アセチレンはとにかく危険なガスです。

製法や取扱については、「アセチレン」で検索すると、多くの情報は入手できます。が、化学反応式を中心としたサイトは少ないかもしれませんね。

アドバイスも回答にもなっていませんが…。

お礼

いえいえ十分です＞＜
参考にさせていただきます。ありがとうございます！

回答No.1

anthracene

結合の性格で述べよ、というのなら、三重結合と一重結合の差を考えてみればよいのでは？
三重結合のうち、1本は通常の単結合（シグマ結合）と同じです。
一方、残りの2本は、パイ結合といって、単結合よりも1本あたりの結合の強さは30 kcal/molくらい低くなっています。
すなわち、アセチレンの三重結合のうち2本は、結合が切れやすく、反応しやすい結合だと言えます。
物を燃やすということも、結合を切り裂いて酸素と結合を作らせる反応なわけですから、反応性の高さということを考えてみるとわかりやすいのではないでしょうか。

補足

なるほど・・・「反応性が高い」ということはそれで十分説明できますね！！
しかし、私には反応しやすい（切れやすい）ことがより多くのエネルギーが発生する、ということに結びつかないのです。
それとも私が勘違いしているだけで、反応しやすければエネルギーが発生しやすい、ということは常識なのでしょうか？
度々申し訳ありません。