14.2
平衡定数
二酸化硫黄の酸化について考えてみましょう。
反応物のみの混合物から始まる反応では、最初の生成物濃度はゼロに等しいです。反応が平衡に向かって順方向に進むにつれて、反応物の濃度は減少し、生成物の濃度は増加します。平衡状態になると、反応物と生成物の濃度は一定になります。
生成物のみが存在する状態で反応が開…
質量作用の法則は、反応物と生成物の平衡濃度を関連付けるために平衡定数を導入します。
AとBが反応物、CとDが生成物、小文字のa、b、c、およびdがそれぞれの化学量論的係数である平衡化学方程式の場合、平衡定数の式は、生成物のモル濃度を反応物のモル濃度で割った値によって与えられ、すべて化学量論的係数に引き上げられます。
平衡定数は、多くの場合、記号KまたはKCで表され、添え字cはモル濃度に対する平衡定数を示します。モル濃度の比であるため、平衡定数は単位がありません。
1よりはるかに大きい大きな平衡定数は、分子、つまり製品の濃度が分母、つまり反応物の濃度よりも大きいことを意味します。これは、平衡が生成物に向かっており、順反応に有利であることを示しています。
逆に、平衡定数が 1 よりはるかに小さい場合は、分母が分子よりも大きいことを意味します。これは、平衡が反応物に向かっており、逆反応に有利であることを意味します。
1 以上の平衡定数の場合、反応物と生成物の相対濃度はほぼ同じです。これは、順方向も逆方向の反応も好まれないことを示しています。
化学式を変更すると、平衡定数も変化します。
平衡定数xの化学反応が逆になると、逆反応の平衡定数の表現は順反応の逆数になります。したがって、新しい平衡定数は x に対して 1 になります。
係数に別の係数nを掛けると、平衡定数は同じ係数に上がります。新しい平衡定数は xn になります。
2つ以上の個々の反応を加算すると、反応全体の平衡定数は個々の平衡定数の積になります。したがって、新しい平衡定数は y × z になります。
不均一平衡の場合、平衡定数の発現は純粋な固体または純粋な液体のエンティティを除外します。
たとえば、固体の硝酸アンモニウムを気体の亜酸化窒素と水蒸気に分解するための平衡定数の式は、純粋な固体である硝酸アンモニウムを除外します。
これは、純粋な固体または液体の相対的なモル濃度が反応中に一定のままであるためです。
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Q1: How is the equilibrium constant expression written for a chemical reaction?
The equilibrium constant expression is the ratio of molar concentrations of products divided by molar concentrations of reactants, each raised to their stoichiometric coefficients. For a reaction aA + bB ⇌ cC + dD, the expression is K = [C]^c[D]^d / [A]^a[B]^b. The subscript c in Kc indicates the constant is based on molar concentration. This unitless ratio quantifies the relative amounts of reactants and products at equilibrium.
Q2: What does a large equilibrium constant value tell you about a reaction?
A large equilibrium constant much greater than 1 indicates that the numerator (product concentrations) is greater than the denominator (reactant concentrations), meaning equilibrium lies toward the products and favors the forward reaction. Conversely, a small equilibrium constant much less than 1 means reactant concentrations exceed product concentrations, favoring the reverse reaction. An equilibrium constant near 1 indicates neither direction is favored.
Q3: How does reversing a chemical equation affect its equilibrium constant?
When a chemical reaction is reversed, the equilibrium constant for the reverse reaction becomes the reciprocal of the forward reaction's constant. If the forward reaction has equilibrium constant x, the reversed reaction has equilibrium constant 1/x. This reciprocal relationship reflects the swap of reactants and products in the reversed equation.
Q4: What happens to the equilibrium constant when stoichiometric coefficients are multiplied by a factor?
When stoichiometric coefficients in a chemical equation are multiplied by a factor n, the equilibrium constant is raised to that same factor. If the original equilibrium constant is x, the new equilibrium constant becomes x^n. This exponential relationship ensures the equilibrium expression remains consistent with the modified stoichiometry.
Q5: How do you find the equilibrium constant for coupled reactions?
When two or more equilibrium reactions are added together, the equilibrium constant for the overall reaction is the product of the individual equilibrium constants. If reaction 1 has constant y and reaction 2 has constant z, the combined reaction has equilibrium constant y × z. This multiplicative relationship allows prediction of complex equilibrium systems from simpler component reactions.
Q6: Why are pure solids and pure liquids excluded from heterogeneous equilibrium constant expressions?
Pure solids and pure liquids are excluded from heterogeneous equilibrium constant expressions because their relative molar concentrations remain constant during the reaction. Since the equilibrium constant depends only on concentrations that change, including constant values would be redundant. For example, in ammonium nitrate decomposition, the solid ammonium nitrate is excluded from the expression.
Q7: Does the equilibrium constant indicate how fast a reaction reaches equilibrium?
No, the magnitude of the equilibrium constant does not indicate the reaction rate or how quickly equilibrium is reached. Some equilibria establish nearly instantaneously, while others proceed so slowly that no perceptible change occurs over days, years, or longer. The equilibrium constant only reflects the composition of the reaction mixture at equilibrium, not the speed of reaching that state.