はじめに
平衡とは、温度、圧力、濃度などのシステムのパラメーターが時間の経過とともに一定に保たれるプロセスの状態です。
反応が化学平衡にある場合、正反応と逆反応の速度は同じになります。
ただし、温度、溶媒、イオン強度などの反応要因は、平衡定数の値に影響を与える可能性があります。
平衡状態にある反応物と生成物の混合物は、平衡混合物と呼ばれます。
化学反応と物理プロセスはどちらも平衡に達します。
均衡の種類
身体的平衡
平衡状態で相反するプロセスが単に物理的な変化を伴う場合、その平衡は物理的平衡と呼ばれます。
たとえば、水の蒸発では、水と蒸気の間に平衡があります。
気化した水の物理的平衡特性 –
- これは、温度、圧力などの特定のパラメーターの下にある閉鎖系でのみ考えられます。
- 前方反応と後方反応の速度は同じです。
- システムの測定属性はすべて一定のままです。
- 物理プロセスが平衡状態に達すると、そのパラメータの 1 つが特定の温度で一定の値を維持します。
- 任意の時点で、そのような値のサイズは、物理的プロセスが平衡に達するまでにどれだけ進んだかを示します。
化学平衡
平衡状態で反対のプロセスが化学変化を伴う場合、その平衡は化学平衡と呼ばれます。
たとえば、酢酸、水、酢酸塩、およびヒドロニウム イオン間の平衡。方程式は次のとおりです:CH3CO2H + H2O⇔CH3CO2 + H3O+ CH3CO2 + H3O+
化学平衡特性 –
- あらゆる角度や方向から行うことができます。それは生物です。平衡状態では、反応物と生成物の濃度は一定に保たれます。
- 触媒の存在により、この形式の平衡が達成されます。
- イオン平衡は、水溶液中のイオンの平衡を伴う化学平衡です。
物理的プロセスと化学反応はどちらも平衡を達成できます。動的平衡は、反応物と生成物の濃度に変化がなく、前方反応の速度が後方反応の速度と等しい場合に発生します。
均一平衡 – これらの平衡形態では、反応物と生成物が同じ相に存在します。
不均一な平衡 - 反応物と生成物は、これらのタイプの平衡のさまざまな段階で見られます。
可逆反応 - 可逆反応は、同じ条件下で順方向と逆方向の両方で発生する化学プロセスです。
不可逆反応 - 不可逆反応は、一方向にしか進行しない化学プロセスです。
全体の反応率 – 全体の反応率は、順方向の反応率から逆方向の反応率を差し引いて得られます。
全体の反応速度 =正方向の反応速度 - 逆方向の反応速度 平衡状態では、可逆反応の全体の速度がゼロになることを覚えておくことが重要です。
質量作用の法則
1864 年、ノルウェーの科学者ピーター ウェイジとカト グルバーグは、群衆行動の法則を提案しました。
所定の温度では、化学反応の速度と反応物のモル濃度との間の関係が法則によって説明されます。
所定の温度での化学反応の速度は、質量作用の法則に従って、反応物の活性質量の積に正比例します。
「活性質量」という用語は、単位体積あたりの反応物のモル濃度を指す。これは mol dm-3 で測定されます。一般的な反応では、aA + bB =cC + dD と仮定します。 ——————— (1)
ここで、Kb =特定の温度での逆反応の速度定数
平衡状態では、正反応の速度と逆反応の速度は等しくなります。だから、私たちは書くことができます–
特定の温度で平衡状態にある化学反応の場合、Kc は平衡定数または速度定数と呼ばれます。
反応生成物濃度を化学量論係数まで上げたバランスの取れた化学式の積を、反応物濃度を個々の化学量論係数まで上げた積で割った値は、特定の温度で一定の値を持ちます。
これは、平衡の法則または化学平衡の法則と呼ばれます。
平衡定数
平衡定数に関するいくつかの重要なポイントを以下に示します:
- 特定の反応の平衡定数の値は常に一定であり、開始時の反応物質の濃度や平衡に近づく方向とは無関係です。
- 反応が逆の場合、平衡定数の値は逆になります。
- 平衡定数 K の方程式を 2 で割ると、結果の方程式の平衡定数は K の平方根 (つまり、√ K) になります。平衡定数 K の方程式を 2 倍すると、新しい方程式の平衡定数は K の 2 乗になります（つまり、K²）
- 平衡定数 K を持つ方程式が 2 つのステップ (平衡定数 K1 と平衡定数 K2) で記述される場合、K1 × K2 =k
- プロセスへの触媒の追加は、平衡定数の値に影響を与えません。触媒は順方向反応と逆方向反応の両方の速度を同程度に上昇させるため、これが当てはまります。
実際の平衡定数 平衡定数の主な特徴と用途を以下に説明します。
- 反応物と生成物の濃度が平衡状態で一定値に達した場合にのみ、平衡定数を計算できます。
- その値は、開始時の反応物および生成物の濃度とは無関係です。
- 温度が要因です。特定の温度で、バランスの取れた式の一意の値が表示されます。
- 逆反応の正反応の平衡定数の逆数に等しい. K は系の平衡定数です。
反応定数の大きさの平衡予測
平衡状態で Kc の値が大きい (Kc> 103) 場合、反応は完了に近づくか、正反応が優先されます。
平衡状態で Kc の値が低い場合 – (Kc> 10-3) 反応が完了することはほとんどなく、完了している場合は逆方向の応答が優先されます。
Kc の値が中程度 (103 から 10-3 の間) の場合、反応は平衡に達します。
溶解度積（ksp）
塩が水に溶解すると、塩はイオンに分解し始め、しばらくすると溶解プロセスが平衡に達します。
AgCl(s) ↔️ Ag+ (aq) + Cl– (aq) Ksp =[Ag+] [Cl–] =Q =I.P.ここで、Ksp =溶解度積 Q =反応商 (Kc として定義されますが、Qc の濃度は必ずしも平衡値ではありません)
I.P. =イオン積If I.P.
反応の方向を予測する
- Qc
- Qc> Kc の場合、正味の反応は右から左に進みます。反応が生成物の方向に進むことを意味します。
- Q =K の場合、正味の反応は発生しません。これは、反応混合物がすでに平衡状態にあることを意味します。
平衡定数とギブズ自由エネルギー (Keq と G) の関係
G が負で K が 1 の場合、反応は自発的であり、先に進みます。
G が正で K が 1 より大きい場合、反応は非自発的であり、予備または逆方向に進行します。
G が 0 の場合、反応は平衡状態にあります。
ル・シャトリエの原理
ルシャトリエの原理によれば、システムの平衡状態を決定する要素のいずれかが変化すると、変化の影響が相殺されるようにシステムが変化します。
言い換えれば、平衡混合物に撹乱が加えられると、ルシャトリエの原理に従って、撹乱を元に戻すように応答します。
温度変化の影響 – 低温では発熱反応が促進され、高温では吸熱反応が促進されます。
圧力変化の影響 – 反応物と生成物のモルが同じ場合、圧力変化は影響しません。
圧力を上げるとモル数の少ない方に反応が進み、逆もまた同様です。これで「均衡」についての議論を終わります。
結論
平衡定数は、反応条件の特定のセットの混合物中の反応物および生成物種の初期分析濃度とは無関係です。
その結果、確立された平衡定数値を使用して、その開始組成が与えられた場合に、平衡状態にある系の組成を決定できます。
物理的プロセスと化学反応の両方が平衡を達成できます。
動的平衡は、反応物と生成物の濃度に変化がなく、前方反応の速度が後方反応の速度と等しい場合に発生します。
