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化学平衡

30分 Part 2 / Ch4 / Lesson 2
前提レッスン: 2-4-1

到達目標

  • 化学平衡の概念と平衡定数を理解する
  • ルシャトリエの原理を用いて平衡の移動を予測できる
  • 平衡定数の計算ができる

化学平衡とは

化学平衡: 正反応と逆反応の速度が等しくなり、見かけ上反応が止まった状態。実際には両方向の反応が同じ速度で進行中（動的平衡）。

反応速度時間正反応逆反応平衡状態
化学平衡に達するまでの反応速度の変化

平衡定数 K

aA+bB⇌cC+dDa\mathrm{A} + b\mathrm{B} \rightleftharpoons c\mathrm{C} + d\mathrm{D}

濃度平衡定数:

Kc=[C]c[D]d[A]a[B]bK_c = \frac{[\mathrm{C}]^c [\mathrm{D}]^d}{[\mathrm{A}]^a [\mathrm{B}]^b}

  • KK が大きい → 生成物側に偏る（反応がよく進む）
  • KK が小さい → 反応物側に偏る（ほとんど進まない）
  • KK は温度のみに依存（濃度・圧力では変わらない）

ルシャトリエの原理

ルシャトリエの原理: 平衡状態にある系に外部から変化を加えると、その変化を打ち消す方向に平衡が移動する。

変化平衡の移動方向
反応物の濃度を上げる→ 生成物側（正反応方向）
生成物の濃度を上げる← 反応物側（逆反応方向）
温度を上げる吸熱反応の方向
圧力を上げる気体の mol 数が少ない方向
触媒を加える移動しない（正逆両方を同じだけ速くする）

例題

例題: 平衡定数の計算

H2(g)+I2(g)⇌2HI(g)\mathrm{H_2(g) + I_2(g) \rightleftharpoons 2HI(g)} において、平衡時の濃度が [H2]=0.10[\mathrm{H_2}] = 0.10、[I2]=0.10[\mathrm{I_2}] = 0.10、[HI]=0.80 mol/L[\mathrm{HI}] = 0.80\ \mathrm{mol/L} のとき、KcK_c を求めよ。

Kc=[HI]2[H2][I2]K_c = \frac{[\mathrm{HI}]^2}{[\mathrm{H_2}][\mathrm{I_2}]}

Kc=(0.80)2(0.10)(0.10)=0.640.010=64K_c = \frac{(0.80)^2}{(0.10)(0.10)} = \frac{0.64}{0.010} = 64

確認クイズ

Q1 平衡状態とは?

Q2 N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃(発熱反応)で温度を上げると?

Q3 触媒を加えると平衡は?

演習

問1. N2O4(g)⇌2NO2(g)\mathrm{N_2O_4(g) \rightleftharpoons 2NO_2(g)}（吸熱反応）について、以下の操作で平衡がどちらに移動するか答えよ。

(a) NO2\mathrm{NO_2} を加える　(b) 圧力を上げる　(c) 温度を上げる

解答・解説

(a) 逆反応方向（← N2O4\mathrm{N_2O_4} 側）: NO2\mathrm{NO_2} 濃度が増えたので、それを打ち消す方向に移動。

(b) 逆反応方向（← N2O4\mathrm{N_2O_4} 側）: 気体の mol 数が少ない方向（N2O4\mathrm{N_2O_4}: 1 mol vs NO2\mathrm{NO_2}: 2 mol）に移動。

(c) 正反応方向（→ NO2\mathrm{NO_2} 側）: 吸熱方向（温度上昇を打ち消す方向）に移動。