平衡とは、反対の力が等しく作用することによる静止状態です。それは動的です。つまり、反応が停止しても正反応と逆反応の両方が起こり続けます。化学反応が起こるときはいつでも、反応は両方向、つまり順方向または逆方向に進行するか、または一方向にのみ進行します.双方向に進行する反応を可逆反応と呼びます。たとえば、以下の化学反応を考えてみましょう:
H2O(l) ⇌ H+(aq) + OH–(aq)
動的平衡は、生成物と反応の数に正味の変化がない化学反応の状態です。しかし、反応は絶え間なく続いています。
動的均衡の概要
動的平衡は、システム内で発生する可逆反応が反応物と生成物の比率の変化を停止するシステム状態として定義できます。反応は起こり続けます。つまり、反応物から生成物への物質の移動が同じ速度であり、反応物と生成物の比率に正味の変化はありません。可逆反応でのみ存在します。反応物と生成物の速度が等しく安定しているため、上記の式は動的です。ただし、反応は継続的に発生します。
化学的平衡が動的平衡と呼ばれるのはなぜですか?
ここで、A + B ⇌ C + D という反応を考えてみましょう。この反応では、ご覧のとおり、A と B の両方の物質を密閉容器内で組み合わせると、 、次に正反応が起こり、CとDが生成されます。このプロセスでは、AとBの濃度は常に減少しますが、CとDの濃度は同時に増加します。したがって、逆反応のペースが増加すると、正反応の速度が低下し、両方の反応器が等しくなり、平衡状態に達するポイントが来ます。
A + B ⇌ C + D が平衡に達したとき、4 つの成分すべての濃度はその期間にわたって一定のままです。その時点でバランスが崩れているように見えますが、実際には動的平衡状態に達しています。したがって、逆方向と順方向のプロセスは平衡に達しますが、濃度は影響を受けません。
上記の運動分子モデルを見ると、A と B が衝突すると C と D が形成されることが容易に理解できます。一方、C と D が A と B の状態に戻ると、同じプロセスが続きます。プロセスではありますが、平衡は同じままです。
化学平衡の法則
次のような、特定の温度で平衡状態にある可逆均一反応を考えてみましょう:
A+B ⇌ C+D
A、B、C、D の活動量をそれぞれ [A]、[B]、[C]、[D] と仮定します。
私たちが知っているように、質量作用の法則によれば、正反応の速度は ∝ [A] [B] になります。したがって、前方反応の速度 =kf [A] [B] ここで、kf は前方反応の速度です。
同様に、逆反応の速度は ∝ [C] [D] とする。したがって、逆反応の速度 =kb [C] [D] ここで、kb は逆反応の速度です。
ここで、平衡定数では、K=正反応の速度 =逆反応の速度、つまりkf [A] [B]=kb [C] [D]
Kf / kb=[C] [D] / [A] [B]
kf / kb を新しい定数、つまり K としましょう。
Kf / kb=K =[C] [D] / [A] [B]
この K は平衡定数です。
モル濃度 Kc の平衡定数
反応を考える aA+bB ⇌ cC+dD
ここで、a、b、c、d はそれぞれ A、B、C、D のモル数です。
Kc =[ C ]c·[ D ]d / [ A ]a·[ B ]b
気体 Kp の平衡定数
Kp=(PCcPDd)/(PAaPBb)
Kc と Kp の関係
理想気体方程式の導出
PV =nRT
そして、P =(n/V)RT
P =CRT、C は 1 リットルあたりのモル数 (モル濃度) です。
式に PA=CART、PB=CBRT、PC=CCRT、および PD=CDRT を挿入することにより気体 Kp の平衡定数の
Kp =Kc (RT)Δn
ここで、Δn=(c+d)-(a+b)、ガス生成物と反応物の係数。
ギブスの自由エネルギーと化学平衡
ΔG =ΔH -TΔS,
したがって、ギブスの自由エネルギーは、エンタルピーから絶対温度とそのエントロピーの積を引いたものです。ギブスの自由エネルギーと平衡定数の関係は次のとおりです:
G° =-RT ln Keq
T=温度
R=普遍気体定数、および
Keq=平衡定数。
化学的平衡の種類
化学平衡の法則には、均一平衡と不均一平衡の 2 種類があります。
均質な均衡
このタイプの平衡では、すべての反応成分が固体、気体、液体などの物質の 1 つの相で表されます。これらのタイプの反応は、次の 3 つの異なる方法で分類されます。
<オール>分子数が変化しない場合の反応 (Δn =0)。
反応時間 (Δn =+ve) によりモル数が増加します。
反応時間によりモル数が減少します。 (Δn =-ve).
例
H2 (g) + I2 (g) ⇌ 2HI (g) , (Δn =0)
PCl5 ⇌ PCl3 + Cl2 , (Δn =+ve)
N2 + 3H2 ⇌ 2NH3 , (Δn =-ve)
不均一な均衡
このタイプの平衡では、反応成分は同じ物質相にとどまりません。たとえば、炭酸カルシウムは分解して酸化カルシウムと二酸化カルシウムになります。
CaCO3 (s) ⇌ CaO (s) + CO2
方程式には、化学平衡の 3 つの異なるフェーズが含まれます。
結論
平衡状態とは、反応物とアイテムの集中化に正味の変化がない状態です。ハーモニーに明らかな変化がないからといって、これはすべての複合反応が停止したことを意味するものではありません。化学平衡の法則は、動的な平衡で溶液がどのように振る舞うかを説明するために使用できます。
