圧平衡定数と濃度平衡定数の量計算問題は2ステップで解け!

わたなべのお知らせ!

受験化学コーチわたなべ
うも、わたなべです。

濃度平衡定数と圧平衡定数について
お話しします。

化学平衡状態というのは、
熱化学的に非常に安定な状態、
というのは、以前お話しました。

平衡状態とは何か?を日本一わかりやすく解説してみた!

化学平衡の法則(質量作用の法則)

化学平衡の法則(質量作用の法則)は、
2つの記述のしかたが、あります。

それこそ、
濃度平衡定数と圧平衡定数
なんだが、、、
その濃度と圧力の2つの書き方を
学んで行きましょう!

濃度を用いた表現、濃度平衡定数

A2+B2⇄2AB
という平衡反応があります。

物質A2,B2,ABの
それぞれのモル濃度[A2][B2][AB] のあいだには、次の関係式が成立します。

濃度平衡定数
この式で表される関係を、
化学平衡の法則または、
質量作用の法則といい、ここで、
KC(cは濃度:Concentration)
で平衡定数と呼びます。

普段では、これは、
KCで表される事は無く、
K=KCのことだと
思って良いです。

 

圧力を用いた表現圧平衡定数とは

次の反応がある温度で平衡状態のとき、
A2(気)+B2(気)⇄2AB(気)
このとき、

気体A,B,ABの分圧を、
PA,PB,PAB
あらわされるとき、

この3つの気体には、
次の関係式が成り立ちます。
圧平衡定数
この式で表される関係の事を
先ほどと同じように、
化学平衡の法則
または質量作用の法則
と言います。

これも、温度に依存しますが、
圧力や濃度には依存しません。
この定数を圧平衡定数と言います。

平衡定数と反応速度定数の関係

H2+I2⇄2HI
という反応があったとします。

この反応で、
左から右(正反応)の反応速度式は、
v1=k1[H2][I2]

右から左(逆反応)の反応速度式は、
v2=k2[HI]2
となります。
で、平衡状態というのは、
正反応と逆反応の反応速度が、
同じ
状態でした。

よって、平衡定数を反応速度定数で
表すと、
反応速度定数 平衡定数
となります。

これの覚え方ですが、
『正/逆』です。
「逆分の正」「逆分の正」「逆分の正」
と唱え続けてください!

濃度平衡定数と圧平衡定数の関係

次の化学平衡の反応が起っている、
とします。

wW(気体)+xX(気体)+・・・・⇄yY(気体)+zZ(気体)+・・・

濃度平衡定数KC
圧平衡定数KPについて、
次の関係式が成立します。
濃度平衡定数

圧平衡定数
そして、ここで、
この2つの関係を見てみましょう!

状態方程式、PV=nRTを変形し、
状態方程式 変形
このn/Vがモル濃度なので、
先ほどの分圧をモル濃度で、
表す事ができます。

Pw=[W]RT
PX=[X]RT
PY=[Y]RT
Pz=[Z]RT
となります。

これを圧平衡定数に代入すると、
圧平衡定数と濃度平衡定数の関係を
付ける事が出来ます。

圧平衡定数 濃度平衡定数 関係性
圧平衡定数 濃度平衡定数 関係性
圧平衡定数 濃度平衡定数 関係性
のようになります。

また、H2+I2⇄2HIのような、
左辺、右辺のそれぞれの
係数の総和が等しい場合

は、
KC=KP
が成り立ちます。

 

可逆反応とは?

平衡定数を決める事が出来ると、
可逆反応とは、何か?が
説明できます。
可逆反応
可逆と言うのは、
両辺生き残る

平衡定数一定
と覚えてください。
両辺に、残ると言う事を
利用しているのが、
塩の加水分解です。

塩の加水分解とは?計算問題が出来ないシンプルすぎる理由は?

平衡定数の問題の解き方のステップ

化学平衡の計算というのは、
(電離平衡がちょっと例外的ではあるが、)
この2ステップで解く事が出来ます。
なので、この2つを意識してください!

 

 

それでは、全体的な、
2ステップの解法をお教え
します。

 

ステップ①モル収支表を書く

モル収支表

モル収支表というのは、
勝手にワタナベが命名したので、
一般的に通じる言葉ではありません。

 

 

ですが、
反応でモルがどのように変化するか、
その収支を表にまとめてあるので、

 

モル収支表と呼んでいます。

 

これは、モル計算でも
気体の分野でもよく使うので、
キッチリ使えるようにしておいてください。

 

ステップ②平衡定数一定式

水の電離 平衡定数

平衡定数というのは、
温度一定なら一定です。

 

なので、温度が変わらなければ、
常にその反応で一定です。

 

だから、何かを足しても、
一定ですし、

 

圧力が変わっても
一定です。

 

なので、モル収支表を書いて、
新しい平衡状態でも、
K一定の式を立てます。

 

 

計算が面倒な問題も多く
ありますが、それは覚悟してください。

 

 

基本的に、解法でつまづく事は
あまり無い分野です。

 

例題

では実際にこの解法を使いこなして行きましょう!

 

例題を出して行こうと思います。

20℃で酢酸1molとエタノール1molを混ぜると、次式の平衡反応に従って、平衡状態で2/3molの酢酸エチルが生成する。
CH3COOH+C2H5OH⇄CH3COOC2H5+H2O
問1 上記の平衡反応の平衡定数Kを整数で求めよ。
問2 20℃で酢酸2molとエタノール1molを混ぜると、平衡状態で何モルの酢酸エチルが生成するか。ただし、√2=1.41,√3=1.73とし、有効数字2桁で答えよ。

この問題を解いて行きます。

ステップ①収支表を書く

モル収支表

このように収支表を書きます。

ステップ②K式一定条件

そしてこれをK一定と連立します。
平衡定数 代入 量計算

これより平衡定数K=4となります。
問2
またまた同様に解いて行きましょう

ステップ①収支表を書く

モル収支表
このようにモル収支表を
書きます。

ステップ②K式一定条件

先ほど求めた、
平衡定数一定条件を
使えば、

平衡定数一定

これより、xについて整理すると、
3x2-12x+8=0

ちなみに、このxは反応量
だから、負の可能性はない

さらに、エタノールが1molしか
ないため、反応量が1molを
超える事も無い。

よって、0<x<1という
条件がわかる。

よって、これをとくと、
平衡定数

x=0.846mol
解答は
問1 4
問2 8.5×10-1mol
です。

平衡定数を扱う裏技的方法

分子の変数をすっきりしたいと言うもの、
なので、初期状態を全て、
平衡定数を扱う裏技的方法

3 件のコメント

  • アバター フィル― より:

    例題の問2で「酢酸2molとエタノール2molを混ぜた」とありますが解説を見ると酢酸2molとエタノール1molになっているのですが、誤植でしょうか。

    • 受験化学コーチわたなべ 受験化学コーチわたなべ より:

      修正しましたすみません。

  • アバター 風邪ひいた より:

    なぜ収支表で濃度に電離度をかけるんですか?

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    ABOUTこの記事をかいた人

    受験化学コーチわたなべ

    浪人の夏休みまで死ぬほど勉強したにも関わらず偏差値50を割ることも。そんな状態から効率よく化学を学び化学の偏差値を68まで爆発的に伸ばした。その経験を塾講師としてリアル塾で発揮するも、携われる生徒の数に限界を感じ化学受験テクニック塾を開講。 自己紹介の続きを読む。