新学習指導要領で 「化学を教える先生へ ・学ぶ生徒へ」 ”勝手に”エンタルピーとエントロピーの指導方法を考えてみました～(セリフ付き)
2022年度の高校1年生より【新しい】学習指導要領が始まります。年次進行ですが，2024年度の大学受験からは「新学習指導要領の内容」を含んだ試験問題になると想像できます。浪人生を配慮するのかな？！
さて，別の記事で「高校化学から熱化学方程式が廃止！めでたい！ 何が問題で、どう教えるか。きちんと、エンタルピーで教えるようになります。」を掲載していますが，アクセス数が万越えしたので，「勝手に」実践方法を考えてみました。。。
「私の指導方法なんか読みたくない！」という方は，やっぱりアトキンス物理化学です。私的にはフルカラーで読みやすくなったしおススメです。
新 学習指導要領の抜粋
上記の別記事で記載したように，日本の高校だけで教えていた「熱化学方程式」が廃止され，エンタルピー変化とエントロピー変化で「化学反応と熱」を教えることが始まります。
さて，赤線を引いた文章を分析すると，エンタルピー変化とエントロピー変化を教えるだけではなく，どうやら「反応の自発・非自発」についても教える必要があるんではないかと考えられます。
つまり，大学1年生が「ヒーヒー」言っちゃう，ギブズエネルギー変化(ΔG)による「反応の自発・非自発」の事です。
ただ・・・
個人的には，ギブズエネルギーまでをがっつりやるのは化学の単元広くない？っと思っています。
エンタルピーとエントロピーの指導(案)
① まずはエンタルピーから
さて，エンタルピー(変化)は「熱」の事です。エントロピーと音が似ていますが，全然違いますし「(定圧下での)熱」なだけです。
エンタルピー変化によって，反応が【発熱反応】なのか【吸熱反応】なのかを見分けることができます。YouTube動画(10:00)の抜粋を示します。
発熱反応は，熱エネルギーを放出する反応です。エネルギーの高い状態(H1)からエネルギーの低い状態(H2)に移動する際に，そのエネルギー差(ΔH)を熱として放出するのが【発熱反応】です。
エネルギー差(ΔH)は，ΔH = H2 ー H1 なので，ΔH＜０である「負」の時に発熱反応です。その逆であるΔH＞0である「正」の時が吸熱反応です。
生徒(および大学1年生)も，「水が上から下に落ちるのが自発的」と感じるように，発熱反応と吸熱反応の図を見ると，発熱反応が【自発的】と考えてしまうようです。
このエンタルピー変化だけだと，反応が自発かどうかを判断できないことを強調しないと，「自分のイメージ」と「先生が言ってること」に解離が生じて，「何言ってんの？？？？」となります。じゃないと，思考の階段を滑り落ちちゃいます。自発的に・・・。
「発熱反応が自発っぽいけど，これが違うんだな～」です。
② エンタルピー変化(ΔH)だけでは，自発か否かの判断はできない
ご存知の通り，吸熱反応でも自発的に反応が進むものが多数あります。つまり，エンタルピー変化(発熱か吸熱か)だけでは，反応が自発かどうかを判断することはできません。
自発的に進む【吸熱反応】の具体例としては，中学理科で学ぶ「塩化アンモニウムと水酸化バリウムの反応」があります。身近に手に入るものとしては「たたけば冷える！瞬間冷却材」ですね。
※叩くエネルギーで冷えているわけではありませんからね。
ここで，すかさず
「なっ！ 吸熱反応でも自発的に進む反応があるでしょ」です。
さらには，もっと身近な例としては，氷が水になる融解反応が「吸熱反応なのに自発的に進む反応」です。
H2O(固体) → H2O(液体) ； ΔH = 6.0 kJ/mol (吸熱反応)
③ エントロピーの登場
ここで，乱雑さを表す尺度であるエントロピー(乱雑さ)の登場となります。「自然は乱雑になろうとする傾向があり，さらには一度乱雑になったものは自然には元に戻らない。」。家の中でもフラスコの中でも，このエントロピー(乱雑さ)が増加する報告に自発的に変化します。
「先生の部屋もー！いつの間にか汚くなるんだー！」
「・・・・・」
「ここ、笑うところだぞ」です。
エンタルピー(乱雑さ)の増加の例として，部室や教室が汚くなること・コーヒーにミルクを入れると勝手に混ざり始めること・全校集会後の解散した生徒のこと などなど，エントロピーが自発的に増加する例はたくさんあります。
さて，氷が水になる融解反応が「吸熱反応なのに自発的に進む反応」に話を戻します。
H2O(固体) → H2O(液体) ； ΔH = 6.0 kJ/mol (吸熱反応)
吸熱反応なのに自発的に反応が進む理由は，固体に比べて液体の方が水分子が整列しておらず「エントロピーが増大する」ためです。水分子にしてみれば，エンタルピー変化によるエネルギーを吸収(吸熱)してでも，エントロピーが増大する方向に自発的に反応が進むということです。
つまり，この段階で「自発かどうかを判断する」には，エントロピー変化とエントロピー変化の両方を考える必要がある。あるいは，
「つまり，エンタルピー変化とエントロピー変化の両方が反応の自発を論じるうえで重要になってくる～！」です。
④ エントロピーと温度の関係
そして，たたみかけるように，次の質問が重要な意味を持ってきます。
「お～ぃ！佐藤さん！この融解反応を止めるにはどうすれば良いと思う？」です。
「ん？ 鈴木さん。 わかってるんなら、大きな声で答えるんだぞ」です。
この融解反応を止めるには「冷凍庫」を使えばいいんです。つまり，自発的に進む吸熱反応である融解反応を止める(自発変化を止める)には，温度(T)を制御すればよいということになります。
つまり，吸熱反応(ΔH＞0)である氷の融解反応は，氷から水になるエントロピー(乱雑さ)の増加(ΔS＞0)という要因が大きく，【室温】では吸熱反応でも自発的に進みます。
一方，温度を下げると，このエントロピーによる要因が抑えられるというイメージが付くと同時に，「自発か否か」はエンタルピー変化とエントロピー変化のバランスで成り立っているというイメージもつくかと思います。
そうです。
エントロピー変化(ΔS)に温度の積がつく説明になっています。
「エンタルピー変化だけでは，反応が自発かどうか判断できないぞー」
「だって、吸熱反応でも自発的に反応が進む例があるだろー」
「例えば、氷の融解反応だー！」
「エンタルピー変化に比べて、エントロピー変化の方が大きいからだ！」
「でも、この反応は温度を下げると止まるよなー！」
「おぃ！田中さん、聞いてるかぁー」
「温度にはエントロピーを変化させることができるってことだ！」
「そして，”エンタルピー変化の大きさ”と”温度で変化するエントロピー変化”のバランスで、反応が進むかどうかがわかるぞー！」
です。
このバランスの式が，ギブスの自由エネルギーの式ということになります。ギブズエネルギーの式は，
ΔG = ΔHーTΔS
ΔG＜０ 自発的
ΔG＞0 非自発的
どうでしょうか？ 無理なくギブズエネルギーの式まで持ってこれたような気もしています。
あるいは，
語呂合わせでもいいかもしれませんね。
「こんな，語呂合わせもあるぞー！」です。
反応の自発的な変化について，ギブスエネルギーの変化として暗記させるのではなく，エンタルピー変化とエントロピー変化のバランス，さらには温度で変化するエントロピー変化までを理解させることで，ギブズエネルギーの式の理解が深まると考えています。
本文は以上です。
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