この教材で学ぶこと
到達目標
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可逆反応と化学平衡を説明できる
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平衡定数Kの式を書ける
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初期濃度・変化量・平衡濃度の表を作れる
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平衡濃度から平衡定数を求められる
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平衡定数から平衡濃度を考えられる
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ルシャトリエの原理で平衡移動を判断できる
1
化学平衡とは
化学平衡とは、可逆反応で正反応と逆反応が同じ速さで進み、見かけ上濃度が変化しなくなった状態です。
平衡状態では反応が止まっているわけではありません。
正反応と逆反応が同時に進み続けています。
ただし、その速さが等しいため、各物質の濃度が一定に見えます。
このような平衡を動的平衡といいます。
確認ポイント
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化学平衡が動的平衡であることを説明できる
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平衡状態でも反応が止まっていないことを理解できる
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2
平衡定数K
平衡定数Kは、平衡状態での各物質の濃度の関係を表す値です。
反応 aA + bB ⇄ cC + dD に対して、平衡定数は K = [C]^c[D]^d / [A]^a[B]^b と表されます。
角かっこ [ ] は、平衡状態でのモル濃度を表します。
係数は指数になります。
平衡定数が大きいほど、平衡では生成物が多い傾向があります。
平衡定数の見方
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Kの大きさ
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平衡の傾向
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Kが大きい
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生成物が多い
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Kが小さい
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反応物が多い
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Kが1に近い
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反応物と生成物が同程度
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確認ポイント
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平衡定数の式を書ける
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係数を指数にすることを理解できる
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Kの大小と平衡の偏りを説明できる
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3
平衡定数の式を書く練習
平衡定数の式では、生成物の濃度を分子、反応物の濃度を分母に書きます。
反応式の係数は、それぞれの濃度の指数になります。
たとえば、N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ では、K = [NH₃]² / [N₂][H₂]³ です。
係数3があるH₂は、[H₂]³となります。
この指数の付け忘れがよくあるミスです。
例題：N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ の平衡定数Kの式を書きなさい。
答え：K = [NH₃]² / ([N₂][H₂]³)
生成物NH₃を分子、反応物N₂とH₂を分母に置き、係数を指数にします。
例題：2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ の平衡定数Kの式を書きなさい。
答え：K = [SO₃]² / ([SO₂]²[O₂])
係数2のSO₂とSO₃は、それぞれ2乗になります。
確認ポイント
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反応式から平衡定数の式を書ける
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係数を指数にできる
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4
平衡計算の基本表
平衡計算では、初期濃度、変化量、平衡濃度を表にして整理すると分かりやすくなります。
英語ではICE表と呼ばれることがあります。
IはInitial、CはChange、EはEquilibriumの意味です。
日本語では、初期、変化、平衡の3段階で考えれば十分です。
反応式の係数比に従って、各物質の濃度変化をxで表します。
平衡計算の表
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段階
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意味
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初期
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反応開始時の濃度
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変化
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反応による濃度の増減
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平衡
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平衡状態での濃度
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確認ポイント
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初期・変化・平衡の表を作れる
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係数比に合わせてxを置ける
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5
簡単な平衡計算
たとえば、A ⇄ B の反応で、初めにAが1.0 mol/Lあり、Bが0 mol/Lだったとします。
平衡までにAがx mol/L減少すると、Bはx mol/L増加します。
したがって、平衡時のAは1.0 - x、Bはxです。
この値を平衡定数の式に代入すれば、xを求めることができます。
複雑な反応でも、基本はこの考え方です。
A ⇄ B の平衡表
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段階
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A
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B
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初期
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1.0
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0
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変化
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-x
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+x
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平衡
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1.0 - x
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x
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例題：A ⇄ B で、初期濃度[A]=1.0、[B]=0、平衡までにAが0.3減った。平衡時の[A]と[B]は？
答え：[A]=0.7、[B]=0.3
Aが0.3減ると、Bは0.3増えます。
確認ポイント
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反応による濃度変化をxで表せる
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平衡濃度を初期濃度と変化量から求められる
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6
係数がある場合の濃度変化
反応式に係数がある場合、濃度変化も係数比に従います。
たとえば、N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ では、N₂がx減ると、H₂は3x減り、NH₃は2x増えます。
係数比をそのまま変化量の比に使うのがポイントです。
このとき、平衡濃度が負にならないようにxの範囲にも注意します。
平衡計算では、表を丁寧に作ることでミスを減らせます。
N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ の変化量
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段階
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N₂
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H₂
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NH₃
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初期
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a
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b
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0
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変化
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-x
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-3x
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+2x
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平衡
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a-x
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b-3x
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2x
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確認ポイント
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係数比を濃度変化に反映できる
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N₂がx減るとH₂が3x減るように考えられる
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7
平衡定数を求める問題
平衡濃度がすべて与えられている場合は、平衡定数の式にそのまま代入します。
たとえば、A + B ⇄ C で、平衡時に [A]=0.20、[B]=0.50、[C]=0.10 なら、K = [C]/[A][B] です。
代入すると、K = 0.10 / (0.20×0.50) = 1.0 です。
このような問題では、反応式からKの式を正しく書くことが最重要です。
例題：A + B ⇄ C において、平衡時 [A]=0.20、[B]=0.50、[C]=0.10 のとき、Kを求めなさい。
答え：1.0
K = [C]/[A][B] = 0.10/(0.20×0.50) = 1.0 です。
確認ポイント
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平衡濃度をKの式に代入できる
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反応式からKの式を正しく書ける
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8
ルシャトリエの原理
ルシャトリエの原理とは、平衡状態にある系に外部から変化を加えると、その変化を打ち消す方向に平衡が移動するという原理です。
濃度、圧力、温度を変えると、平衡の位置が変わることがあります。
たとえば、反応物を加えると、反応物を消費する向き、つまり正反応側へ平衡が移動します。
生成物を加えると、生成物を消費する向き、つまり逆反応側へ平衡が移動します。
このように、加えた変化を弱める方向に動くと考えると判断しやすいです。
ルシャトリエの原理の例
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変化
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平衡移動
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反応物を加える
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反応物を減らす方向
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生成物を加える
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生成物を減らす方向
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圧力を上げる
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気体分子数が少ない方向
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温度を上げる
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吸熱方向
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確認ポイント
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ルシャトリエの原理の意味を説明できる
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濃度・圧力・温度変化による平衡移動を判断できる
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9
温度変化と平衡定数
濃度や圧力を変えても、温度が一定なら平衡定数Kは変わりません。
しかし、温度を変えると平衡定数Kは変化します。
発熱反応では、温度を上げると逆反応側に平衡が移動しやすくなります。
吸熱反応では、温度を上げると正反応側に平衡が移動しやすくなります。
温度変化は、平衡の位置だけでなく平衡定数そのものを変える点が重要です。
温度と平衡
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反応
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温度を上げると
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正反応が発熱
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逆反応側へ移動しやすい
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正反応が吸熱
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正反応側へ移動しやすい
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温度変化
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平衡定数Kが変わる
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確認ポイント
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温度変化で平衡定数Kが変わることを説明できる
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発熱反応・吸熱反応で温度上昇時の平衡移動を判断できる
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10
化学平衡計算の解き方の型
化学平衡の計算では、まず反応式を確認します。
次に、平衡定数Kの式を書きます。
その後、初期濃度、変化量、平衡濃度の表を作ります。
変化量は、反応式の係数比に合わせてxで表します。
最後に、平衡濃度をKの式に代入して計算します。
平衡計算の手順
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手順
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内容
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1
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反応式を確認する
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2
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平衡定数Kの式を書く
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3
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初期・変化・平衡の表を作る
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4
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係数比に合わせてxを置く
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5
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平衡濃度をKに代入する
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確認ポイント
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平衡計算の基本手順を説明できる
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表を使って濃度変化を整理できる
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11
化学平衡の計算まとめ例題
化学平衡の計算では、平衡定数の式、係数比、xの置き方が重要です。
また、ルシャトリエの原理では『変化を打ち消す方向』を意識しましょう。
例題：A + B ⇄ C の平衡定数Kの式を書きなさい。
答え：K = [C]/([A][B])
生成物を分子、反応物を分母に置きます。
例題：N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ で、N₂がx減少するとH₂とNH₃はそれぞれどう変化するか。
答え：H₂は3x減少し、NH₃は2x増加する。
反応式の係数比 N₂:H₂:NH₃ = 1:3:2 に従います。
例題：平衡状態で反応物を加えると、平衡はどちらに移動しやすいか。
答え：生成物側
加えた反応物を減らす方向、つまり正反応側へ移動します。
例題：温度が一定のとき、濃度を変えると平衡定数Kは変わるか。
答え：変わらない
平衡定数Kは温度によって決まるため、温度一定ならKは変わりません。
例題：正反応が発熱反応のとき、温度を上げると平衡はどちらに移動しやすいか。
答え：逆反応側
温度上昇を打ち消すため、熱を吸収する逆反応側へ移動します。
確認ポイント
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平衡定数の式を書ける
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係数比から濃度変化を考えられる
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ルシャトリエの原理で平衡移動を判断できる
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