8.2: 化学平衡

学習成果

• 化学平衡を説明できる。
• Q値とK値を計算し比較できる。
• 平衡定数から反応物・生成物の相対量を予測できる。

平衡の条件と平衡の種類

平衡に達すると、反応は停止すると考えたくなるかもしれない。 化学平衡は動的なプロセスである。 平衡に達した後も、順反応と逆反応は起こり続ける。 しかし、反応の速度は同じなので、平衡状態にある反応では、反応物と生成物の相対的な濃度に変化はない。 平衡状態にある系の条件と性質を以下にまとめる。

1. 系は閉じていなければならない、つまり、いかなる物質も系に出入りできない。
2. 平衡は動的プロセスである。 反応は必ずしも見えなくても、順反応と逆反応の両方が起こっている。
3. 順反応と逆反応の速度は等しくなければならない。
4. 反応物質と生成物の量は等しくなくても良い。 しかし、平衡に達した後は、反応物と生成物の量は一定になる。

この概念における平衡の記述は、主に化学反応における反応物と生成物の間の平衡について言及している。 平衡には他に相平衡、溶液平衡がある。 相平衡は、ある物質が2つの状態の間で平衡状態にあるときに起こる。 例えば、水を入れたフラスコは、蒸発する速度と凝縮する速度が等しくなると平衡になる。 溶液平衡は、固体物質が飽和溶液中にあるときに起こる。 このとき、溶解の速度は再結晶の速度と等しくなる。 これらはすべて異なるタイプの変換ですが、平衡に関するルールのほとんどは、プロセスが可逆的に発生するあらゆる状況に当てはまります。

赤血球は、組織が機能できるように酸素を組織に運搬しています。 酸素がなければ、細胞は生化学的な責任を果たすことができない。 酸素は、赤血球に含まれるヘモグロビンというタンパク質に付着して、細胞に移動します。 一酸化炭素中毒では、このヘモグロビンと強く結合して酸素を遮断し、細胞に到達する酸素量を低下させる。 治療には純酸素を吸入して一酸化炭素を追い出すことが必要です。 下図の平衡反応は、酸素が過剰になると右側にシフトすることを表しています。

Equilibrium Constant

反応物Ⓐ(\ce{A}) とⒷ(\ce{B}) が反応して、生成物Ⓐ(\ce{C}) とⒷ(\ce{D}) ができると考える仮想の可逆反応について考えてみましょう。 この平衡状態を以下に示す。小文字は各物質の係数を表す。

ここまでで確立したように、平衡状態では順反応と逆反応の速度が同じなので、すべての物質の濃度は一定である。 そうである以上、平衡状態での任意の反応に対する濃度の比は一定の値を保つのが当然である。 平衡定数(equilibrium constant)とは、ある反応の生成物の数学的積と、その反応の反応物の濃度の数学的積の比のことで、”K_text{eq}”と呼ばれています。 各濃度は釣り合い化学式でその係数のべき乗に上げられます。 上記の一般的な反応について、平衡定数式は次のように書かれます：

C \left^d}{left^a \left^b}]

式の周りの角カッコで示された各物質の濃度は、モル単位で測定します( \text{mol/L}↘↑).

どのような反応でも平衡定数の値は実験によってのみ決定される。 上の節で詳述したように、ある反応の平衡の位置は出発濃度に依存しないので、平衡定数の値は真に一定である。 しかし、反応の温度には依存する。 これは、平衡とは、順反応と逆反応の速度が等しい状態であると定義されているからである。 温度が変われば、それに応じてそれらの反応速度が変化し、平衡定数も変化する。

Ⓐが1より大きいとき、分子が分母より大きいので生成物が有利、つまり反応物より生成物の濃度が大きい。

Ⓐ(K_text{eq})が1より小さい場合、分母（反応物）が分子（生成物）より大きいので反応物が有利である。