【理論化学】化学平衡とは・濃度平衡定数とは・活性化エネルギーの求め方を簡単に解説!高校化学選択をしている受験生や高校生は必見!

理論化学の解説(化学平衡とは・濃度平衡定数とは・活性化エネルギーの求め方とは)

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化学科を卒業して予備校講師(模擬試験作成)をしていた予備校講師の休日です。化学を放置すると忘れていくので、備忘録代わりに受験生にも役立つ高校化学の情報をまとめておこうと思い、この記事を作成しました!できれば、勉強法のTwitter(こっちがメイン)もフォローしてもらえると嬉しい^^勉強関連やTOEIC関連でこうやったら勉強できるなど気づいたことをどんどんツイートしていますので!化学関連の解説記事一覧・目次はコチラから。

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化学平衡とは?

Twitterの原文ママ

可逆反応において、あるAとBを反応させて長時間放置したときに、正反応と逆反応の反応速度が等しくなる状態を平衡状態という。例えば、氷が水に変わる状態変化も0℃条件下で行えば、平衡状態といえる。

解説コメント

反応って、不可逆の反応と可逆の反応がある。

不可逆反応の例

  • H2+1/2O2→H2O
  • NaOH+HCl→NaCl+H2O

可逆反応の例

  • H2+I2⇄2HI
  • CH3OH+CH3COOH⇄CH3OCOCH3+H2O
  • 氷⇄水(融解熱込みで、系の温度は常に0℃という条件下)

可逆反応について化学平衡っていうのは語られる。例えば、H2+I2⇄2HIなんかは可逆反応の反応式。

可逆反応の反応式は『⇄』を用いるよ。

『⇄』の意味は、正方向の反応と逆方向の反応の速度が同じということ。

つまり、

H2とI2がHIになる速度=HIがH2とI2に戻ろうとする速度

ということ。この状態を平衡という。

正反応の反応速度v1=k1[H2][I2]

逆反応の反応速度v2=k2[HI]^2

で、v1=v2の状態を『平衡状態』という。

H2とI2を最初に容器に入れて反応させていくと、まずはv2は0でv1がめちゃくちゃ大きい反応速度となって、反応が進行する。放置していくと、どんどんv1の速度は低下していき、v2の速度が速くなっていく。結果、v1とv2が釣り合って等しくなる。この状態を平衡状態というわけ。

だから、平衡状態は反応していない状態ではなく、『見かけ上』反応しておらず、正反応と逆反応の速度が釣り合っている状態のことを指す。

反応は常に進行しているよ。

それの証明を、0℃条件下における氷水で行う。

系全体を常に0℃条件下に設定し、氷水を置いておく。すると、氷→水の速度と水→氷の速度は釣り合った状態になる。なので、氷の大きさはずっと変わらない。

傍目から見ていると、氷が全く溶けてないように見えるがそんなことはなく、常に氷は溶けている。(見かけ上状態変化が起きてないように見えているだけなので。)

なので、元々氷中に存在していた水分子は液体の水になっていることもあるし、逆に元々水中に存在していた水分子は固体の氷になっていることもある。

あくまで、見かけ上、氷の大きさは変わらずに溶けてないかのように見えるだけ。

化学的にいうと、氷が融解して水になる速度と水が凝固して氷になる速度が等しいということだ。

濃度平衡定数とは?

Twitterの原文ママ

可逆反応について、正反応の速度をv1=k1[A][B]、逆反応の速度をv2=k2[AB]とする。平衡状態v1=v2の時のk1/k2が濃度平衡定数Kというよ。Kは右辺/左辺だからね!質量作用の法則もおさえておくこと!

解説コメント

平衡状態において、v1=v2だよね。

  • 正反応の速度はv1=k1[A][B]
  • 逆反応の速度はv2=k2[AB]

v1=v2ということは、上記の2つの式の間に線を引くと、

『=』の手前がv1/v2となる。つまり、1だ。

1=(k1/k2)×([A][B]/[AB])となる。

このときのk1/k2をKと表し、Kを濃度平衡定数という。

つまり、K=[AB]/[A][B]といった感じ。

濃度平衡定数Kっていうのはわかったけど、そもそも何のこと?何を表してるの?って感じだよね。私もそうだった。初めて習った時はブチギレそうになってた。意味不明すぎてね。「だから?」って感じ。

ちょっと話を戻すけど、可逆平衡ってどうして可逆平衡なんだと思う?

普通の反応は一旦反応させちゃうともう元には戻らない反応だよね。つまり不可逆反応。

じゃあどうして可逆反応というものが存在するのか?それは、反応前の出発物質と反応後の生成物の安定性が同じくらいだからだ。どっちも同じくらいの安定性だから、生成物になった後も、元に戻ろうかな?ってなる。(あとは活性化エネルギーが小さいことも大きい理由かもね。)

つまり、A+B⇄ABという反応において、AとBは、くっついてABになってもいいし、AとBバラバラの状態で存在していてもなんら問題はないって感じなわけよ。

もし、くっついてABになってもAとBバラバラの状態になっても五分五分でどっちでもいいと思ってるなら、1Lの容器に、Aを1mol,Bを1mol入れた時、0.5mol分だけはABになる。そして、Aは1−0.5=0.5mol,Bも1−0.5=0.5molになる。というわけだ。結果、濃度平衡定数K=0.5×0.5/0.5=0.5となる。

つまり、濃度平衡定数Kとは、左辺と右辺のどちらがより安定かを示す値のことなんだわ。

濃度平衡定数K=100とかだと、右辺がめちゃくちゃ大きい状態なので、ほとんど逆反応は起こらず、生成物って結構安定なんだなと予測できるし、

濃度平衡定数K=0.001とかだと、左辺がめちゃくちゃ大きい状態なので、ほとんど正反応は起こらない反応、つまり生成物よりも出発物質の方が安定なのかもね。ということがわかる。

左辺でいたいのか、右辺でいたいのかを示す指標なわけ。ちなみにK=k1/k2なので、もちろん温度依存の濃度平衡「定数」。

質量作用の法則:Kは温度が一定であれば常に一定値をとるという法則。温度20℃ならば、絶対にA+B⇄C+Dという反応において、必ず一定のA,B,C,Dの割合に帰着しますよという法則です。平たく言えば、『濃度平衡定数』っていうものが成り立ちますよねという法則。どういう濃度でスタートしても、必ず、A,B,C,Dの濃度はK(ある一定の決まった定数)に帰着するということ。

活性化エネルギーってどうやって求める?

Twitterの原文ママ

活性化エネルギーってどうやって求めるか知ってる?活性錯体になったタイミングで温度計を差し込んで…っていうのは嘘で、アレニウスの式の両辺を自然対数を底にして対数をとってlnkと1/Tのグラフを作って傾きを見るんだわ。

解説コメント

活性化エネルギーを求める方法を解説しますね。ちなみにこれは難関大学とかでグラフと一緒に出題されることがあります。

アレニウスの式k=A×e^(-Ea/RT)について、両辺を自然対数eを底にして、対数をとります。(下の式の底はeね。lnkってこと。)

logk=logA+(-Ea/R)×(1/T)

そして、色んな温度における反応速度定数kの値をとり、

x軸を1/T,y軸をlogkをとって、プロットしていきます。プロットを結んでまっすぐな直線を引きます。(厳密には最小二乗法とかを使って?平均した直線)

描かれた直線の傾きはなんと、-Ea/Rであるということですね。Rは気体定数ですから、すでに知ってる値。Eaだけですね。答えが出る(Eaがわかる)というわけです。

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ABOUTこの記事をかいた人

ニシジマ

ゆとり世代ど真ん中に爆誕。円周率は3だと信じて疑わない。大学卒業後,予備校で勤務しており,化学を担当。主な業務は,模擬試験作成と入試解説の執筆。大学時代の専攻は物理化学であるが,難解すぎて意味があまりわからない。