令和2年度 問31 化学プロセス
メタンから水素を作る改質炉では、原料メタンの改質反応の反応熱を、熱源メタンの燃焼熱で補給して、所定の反応温度を保つ。
原料メタンの改質反応（吸熱反応）
$$\mathrm{CH_4}(\mathrm{g}) + \mathrm{H_2O}(\mathrm{g}) \rightarrow \mathrm{CO}(\mathrm{g}) + 3\mathrm{H_2}(\mathrm{g})\qquad(1)$$熱源メタンの燃焼反応（発熱反応）
$$\mathrm{CH_4}(\mathrm{g}) + 2\mathrm{O_2}(\mathrm{g}) \rightarrow \mathrm{CO_2}(\mathrm{g}) + 2\mathrm{H_2O}(\mathrm{g})\qquad(2)$$以下の各成分の標準生成エンタルピー \(\Delta_r H^{\circ}\) から推算して、原料メタン 1.0 mol に対して必要な熱源メタンの量として最も近い値はどれか。
| ガス種 | \(\mathrm{CH_4}\)(g) | \(\mathrm{H_2O}\)(g) | \(\mathrm{CO}\)(g) | \(\mathrm{H_2}\)(g) | \(\mathrm{O_2}\)(g) | \(\mathrm{CO_2}\)(g) |
| \(\Delta_r H^{\circ}\ [\mathrm{kJ\cdot mol^{-1}}]\) | \(-74.8\) | \(-241.8\) | \(-110.5\) | 0 | 0 | \(-393.5\) |
①
1.0 mol
②
0.75 mol
③
0.50 mol
④
0.25 mol
⑤
0.10 mol
正答
④ 0.25 mol
反応に伴うエンタルピー変化（\(\Delta H\)）を計算する際は、生成物の標準生成エンタルピーの和から反応物の標準生成エンタルピーの和を引きます。酸素や水素は単体元素であり最も安定な形態であるとみなし、標準状態での単体元素の標準生成エンタルピーは定義上 0 kJ/mol とされています。
原料メタンの改質反応に伴うエンタルピー変化は \(-110.5 - \{-74.8 + (-241.8)\} = 206.1\) kJ/mol です。値がプラスなため吸熱反応です。
熱源メタンの燃焼反応に伴うエンタルピー変化は \(\{-393.5 + (-241.8\times 2)\} - (-74.8) = -802.3\) kJ/mol です。値がマイナスなため発熱反応です。
両反応はメタン 1 mol に対する反応熱ですので、(発熱反応量)/(吸熱反応量) \(= 206.1/802.3 = 0.26\) 倍、つまり 0.26 mol の熱源メタンが必要になります。最も近い値は 0.25 mol です。