【化学平衡】平衡定数やmol数の変化、グラフなど

【プロ講師解説】このページでは『化学平衡（平衡定数やmol数の変化、グラフなど）』について解説しています。解説は高校化学・化学基礎を扱うウェブメディア『化学のグルメ』を通じて6年間大学受験に携わるプロの化学講師が執筆します。

化学平衡とは

化学平衡について、水素とヨウ素の反応を例に説明していこう。

\[
H_{2}+I_{2}\underset{逆反応}{\overset{正反応}{\rightleftarrows}}2HI
\]

まずは、正反応の方に注目する。

反応速度の式（V=K[A]）より、反応物の濃度（[A]）が大きいと反応速度（V）も大きくなる。正反応における反応物はH₂とI₂なので、反応速度は最初が最も大きく、徐々に（反応物であるH₂とI₂の濃度が減少していくので）小さくなっていく。

逆反応の方はどうだろうか。
逆反応は、HIからH₂とI₂が生成する反応なので、反応物はHIである。

\[
\underbrace{ 2HI }
_{ \text{ 反応物 }}→\underbrace{ H_{2}+I_{2} }
_{ \text{ 生成物 }}
\]

始めはHIの濃度が極めて低いので、反応速度の式（V=K[A]）から分かるように反応速度は非常に小さい。徐々にHIの濃度が増加していくと、それに伴って反応速度も大きくなっていく。

以上のように、正反応の速度は次第に小さく、逆反応の速度は次第に大きくなっていくが、両方とも最終的には同じ速度に落ち着き一定となる。
この、正反応と逆反応の速度が等しくなった状態を平衡状態という。

平衡状態になると、一見反応が止まっているように見える。
しかし実際は「正反応と逆反応が起こっているが、２つの速度が等しいため反応が進んでないように見えるだけ」だということをきっちり押さえておこう。

化学平衡とmol数の変化

先ほどの反応を使って説明しよう。

\[
H_{2}+I_{2}\underset{逆反応}{\overset{正反応}{\rightleftarrows}}2HI
\]

反応前のH₂とI₂のmol数が1.0、平衡時は0.20だとすると…

反応で使われたH₂とI₂は0.80mol（1.0-0.20）ずつなので、係数比より生成したHIは1.6molであることがわかる。

このとき、縦軸にmol数、横軸に時間をとったグラフは次のようになる。

H₂とI₂は、最初1.0molあったのが平衡時には0.20molに、HIはスタート時は0molだったのが平衡時には1.6molになっている。

上で紹介した反応速度のグラフは最終的に２つのグラフが重なっていたけど、こちらは必ずしも重なるわけではないので注意しよう。（重なるのは、生成物と反応物の平衡時のmol数が一緒だった場合）

平衡定数K

\[
H_{2}+I_{2}⇄2HI
\]

この反応が平衡状態のとき、H₂、I₂、HIのモル濃度をそれぞれ[H₂]、[I₂]、[HI]とすると次の関係式が成り立つ。

\[K=\frac{ [HI]^{2} }{ [H_{2}][I_{2}] }\]

Point!

このKを平衡定数という。
［HI］に２乗が付いているが、これは反応式中のHIの係数からきている。平衡定数を求める式では、濃度を反応式中での係数乗する。

また、平衡定数Kに関して１つ知っておくべきことがある。

平衡定数Kは、温度のみに依存する

Point!

平衡定数は「温度変化のみ」に影響されて変化する。
逆に言うと、温度が一定であればスタート時のmol数などが違っても平衡定数Kは一定となる。

化学平衡に関する演習問題

問１

【】に当てはまる用語を答えよ。

正反応の速度は次第に【１（大きor小さ）】く、逆反応の速度は次第に【２（大きor小さ）】くなっていくが、両方とも最終的には同じ速度に落ち着き一定となる。この、正反応と逆反応の速度が等しくなった状態を【３】という。

【問１】解答/解説：タップで表示

解答：【１】小さ【２】大き【３】平衡状態

正反応の速度は次第に小さく、逆反応の速度は次第に大きくなっていくが、両方とも最終的には同じ速度に落ち着き一定となる。
この、正反応と逆反応の速度が等しくなった状態を平衡状態という。

問２

【】に当てはまる用語を答えよ。

平衡状態になると一見反応が止まっているように見えるが、実際は【１】反応と【２】反応が起こっており、2つの速度が【３（等しいor異なる）】ため反応が進んでないように見えるだけである。

【問２】解答/解説：タップで表示

解答：【１】正【２】逆【３】等しい（【１】・【２】は順不同）

平衡状態になると、一見反応が止まっているように見える。
しかし実際は「正反応と逆反応が起こっているが、2つの速度が等しいため反応が進んでないように見えるだけ」である。

問３

【】に当てはまる用語を答えよ。

「H₂ + I₂ ⇆ 2HI」の反応において、反応前のH₂とI₂のmol数が1.0、平衡時は0.20だとすると、平衡時のHIのmol数は【１】である。

【問３】解答/解説：タップで表示

解答：【１】1.6

反応で使われたH₂とI₂は0.80mol（1.0-0.20）ずつなので、係数比より生成したHIは1.6molであることがわかる。

このとき、縦軸にmol数、横軸に時間をとったグラフは次のようになる。

H₂とI₂は、最初1.0molあったのが平衡時には0.20molに、HIはスタート時は0molだったのが平衡時には1.6molになっている。

問４

【】に当てはまる用語を答えよ。

平衡状態では、温度が一定であれば平衡定数Kの値は一定となる。これを【１】の法則という。

【問４】解答/解説：タップで表示

解答：【１】化学平衡（質量作用）

問５

【】に当てはまる用語を答えよ。

平衡状態において一定となる定数を【１】という。

【問５】解答/解説：タップで表示

解答：【１】平衡定数

化学反応式「aA + bB ⇆ cC + dD」の平衡定数Kは…

\[
K = \frac{［C］^{c}［D］^{d} }{［A］^{a}［B］^{b} } = 一定
\]

問６

【】に当てはまる用語を答えよ。

平衡定数は【１】にのみ依存する。

【問６】解答/解説：タップで表示

解答：【１】温度

問７

【】に当てはまる用語を答えよ。

気体反応の場合、モル濃度ではなく各気体の分圧で平衡定数を考える場合があり、これを【１】といい【２】で表す。

【問７】解答/解説：タップで表示

解答：【１】圧平衡定数【２】K_p

化学反応式「aA + bB ⇆ cC + dD」の平衡定数Kは…

\[
K_{p} = \frac{ P_{C}^{c}×P_{D}^{d} }{ P_{A}^{a}×P_{B}^{b} } = 一定
\]

（気体Aの圧力をP_A、気体Bの圧力をP_B…と表した）

※圧平衡定数について詳しくは圧平衡定数（公式の導出や計算問題の解き方など）を参照

【化学平衡】平衡定数やmol数の変化、グラフなど

化学平衡とは

化学平衡とmol数の変化

平衡定数K

化学平衡に関する演習問題

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