化学平衡と平衡定数

化学平衡

• 可逆反応では、正反応と逆反応の速度が等しくなり、見かけ上反応が停止したように見える状態になる。この状態を平衡状態という。

平衡定数

• 反応式を正しく直し、濃度平衡定数 $(K_c)$と圧平衡定数 $(K_p)$の式を記述する必要がある。

反応式の例

• ア) $C_3H_8(気) + O_2(気) \rightleftharpoons CO_2(気) + H_2O(気)$
• イ) $NO(気) \rightleftharpoons N_2O(気) + NO_2(気)$
• ウ) $H_2O(気) + C(固) \rightleftharpoons CO(気) + H_2(気)$
• エ) $HgO(固) \rightleftharpoons Hg(液) + O_2(気)$

700℃での平衡状態の反応

• $2H_2(気) + S_2(気) \rightleftharpoons 2H_2S(気)$
• 12.0 Lの容器に2.50 molの水素、1.35 x 10^-5 molの硫黄、8.70 molの硫化水素が存在する場合、濃度平衡定数 $(K_c)$を計算する。

800℃における気体平衡

• 温度800℃で、水素($2.50 \text{ mol/L}$)、窒素($7.65 \text{ mol/L}$)、アンモニアガス($6.00 \text{ mol/L}$)が存在する反応について、$K_c$と$K_p$を計算する。
• ただし、気体定数 $R = 0.0821 \text{ [atm L mol}^{-1} K^{-1}\text{]}$ とする。
• 反応式: $N_2(気) + 3H_2(気) \rightleftharpoons 2NH_3(気)$

その他の化学平衡

• 2.50 Lの容器に0.150 molの$N_2O_5$を入れた系の化学平衡を考える。温度は600℃。

600℃での平衡状態

• 600℃で平衡状態に達したとき、$N_2O_5$の物質量が0.03 molになった場合、$2N_2O_5(気) \rightleftharpoons 4NO_2(気) + O_2(気)$の$K_p$を求める。
• 気体定数は$R = 0.0821 \text{ [atm L mol}^{-1} K^{-1}\text{]}$を使用。

水素とヨウ素の反応

• 5. 50 molの水素と4.00 molのヨウ素を100 Lの容器に入れ、一定温度に保つ。
• ヨウ化水素が7.00 mol生成した場合、次の反応の$K_c$を求める。
• 反応式: $H_2(気) + I_2(気) \rightleftharpoons 2HI(気)$

濃硫酸触媒を用いたエステル化

• 濃硫酸を触媒として、酢酸とエタノールを反応させ、酢酸エチルと水を生じさせる。
• 反応式: $CH_3COOH(aq) + C_2H_5OH(aq) \rightleftharpoons CH_3COOC_2H_5(aq) + H_2O(液)$
• ある温度での$K_c$が4.0の場合、2.5 mol/Lの酢酸と2.5 mol/Lのエタノールを混合して平衡状態に達したとき、酢酸エチルが何mol/L生成するかを計算する。

塩化カルボニルの分解

• 毒性の高い気体であるホスゲン（塩化カルボニル）の分解は、温度360℃、10 Lの容器中で次のように解離平衡が成立する。
• 反応式: $COCl_2(気体) \rightleftharpoons CO(気体) + Cl_2(気体)$
• この反応の解離定数$K_c$を各成分のモル濃度を用いて表し、5.00 molの塩化カルボニルから始まり、一定温度で平衡に達した時の解離度$\alpha$を求める。
• 解離定数$K_c$は$8.3 \times 10^{-4} \text{ mol/L}$とする。