化学平衡の法則-平衡定数K-

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化学平衡の法則

下の化学反応のような平衡状態では平衡定数K(Kcとも書く)圧平衡定数Kpの関係式が成り立つことが知られている。 

平衡

平衡定数K

平衡定数Kとは、化学反応の平衡状態を、物質の存在比で表したものである。上記の式aA + bB ⇔ cC + dDが成り立つ場合、平衡定数Kは下の式で求められる。温度一定の平衡状態においてKは常に一定の値を示す。この法則を質量作用の法則と呼ぶ。

平衡定数
  • [ ]は平衡時のそれぞれの物質(A、B、C、D)のモル濃度の値が入る。
  • a、b、c、dは化学反応式の係数が入る。
  • 発熱反応では高温ほどKの値は小さくなり、吸熱反応では高温ほどKの値は大きくなる。これはルシャトリエの原理と呼ばれる。
ルシャトリエの原理の内容は次の通りである。平衡状態にある反応系において、状態変数(温度、圧力(全圧)、反応に関与する物質の分圧や濃度)を変化させると、その変化を相殺する方向へ平衡は移動する。
すなわち、反応温度を上げた場合、平衡は反応熱を吸収して反応温度を下げる方向へ移動する。 反応温度を下げた場合、平衡は反応熱を発生させて反応温度を上げる方向へ移動する。

https://ja.wikipedia.org/wiki/

例題①

水素4.0molとヨウ素4.0molを10Lの容器に入れて一定温度に保つと、下の式のような化学反応が起こり、平衡状態に達した。平衡状態時にはヨウ化水素が5mol生じていた。この反応の平衡定数を求めよ。

H2 + I2 ⇔ 2HI

ヨウ化水素が5mol生じるためには、H2が2.5mol、I2が2.5mol必要である。よって、平衡時に残っているH2は下のようになる。

4mol – 2.5mol =1.5mol

また、mol濃度は、100L中に1.5molなので下のようになる。

1.5mol ÷ 10L = 0.15mol/L

I2のモル濃度も同様に、(4mol – 2.5mol) ÷ 10L = 0.15mol/L

ヨウ化水素HIのモル濃度は、5.0mol ÷ 10L = 0.50mol/L

これを平衡定数Kを求める式に代入すると、

K

K = (0.5)2÷(0.15×0.15)= 11

例題②

水素1molとヨウ素1molが入った容器10Lが平衡状態に達した時、ヨウ化水素は何mol生じるか。なお、上記問題とは温度が異るため、平衡定数K=25とする。

平衡定数を求める式を利用して、答えを求める。

K

ヨウ化水素をXmolとすると、上の式は次のように展開できる。

K

K=25なので、代入すると、

K

全体が二乗なので、取り外すと、

K

両辺に(1.0-X/2)を掛けて計算すると、

X=1.4

固体が関与する場合の平衡定数

固体は平衡に影響を与えないので、平衡定数の計算には含める必要がない。
 
例: C(固) + CO2(気) ⇔ 2CO2(気)

上記の式では、C(固)は式に含めないので、平衡定数は次のようになる。

固体を含む平衡
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