2023年02月28日

高校化学「物質の変化と平衡」四酸化二窒素と二酸化窒素の平衡B

高校化学「物質の変化と平衡」四酸化二窒素と二酸化窒素の平衡B

◆問題

ある温度で、n[mol]の四酸化二窒素N2O4を体積V[L]の容器に入れると、二酸化窒素NO2を生じて平衡状態に達した。このときの全圧をP[Pa]、四酸化二窒素の解離度をαとして、次の問いに答えよ。

N2O4(気)⇄2NO2(気)

(1) 平衡状態における二酸化窒素の物質量を求めよ。

(2) 平衡時の四酸化二窒素の分圧を求めよ。

(3) この反応における平衡定数Kを求めよ。


このページ下では、(3)の解答を掲載します。


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◆解答解説

四酸化二窒素と二酸化窒素の平衡の物質量についての表は以下のようになります。

    N2O4  NO2

はじめ  n    0

変化量 −nα  +2nα

平衡時 n(1−α) 2nα


平衡時には、N2O4はn(1−α)[mol]、NO2は2nα[mol]存在していることになります。
合計すると、n(1−α)+2nα=n(1+α)[mol]の分子が容器内に存在していることになります。

平衡定数は、「(右辺のモル濃度の積)/(左辺のモル濃度の積)」で求めることができます。
「反応前に対して、反応後はどのくらいの割合か?」というイメージですね。

「左辺」は四酸化二窒素でn(1−α)[mol],「右辺」は二酸化窒素で2nα[mol]です。
体積はV[L]だから、それぞれのモル濃度は、n(1−α)/V[mol/L],2nα/V[mol/L]です。
これらを使って、

K=(2nα/V)2/{n(1−α)/V}
 =(4nα2/V)/(1−α)
 =4nα2/(1−α)V

ちなみに単位は、モル濃度の2乗をモル濃度で割っているので、普通のモル濃度の単位が残ります。
単位をつければ、

K=4nα2/(1−α)V[mol/L]


この問題の最初に戻る→(1) 平衡状態における二酸化窒素の物質量を求めよ。


◆関連項目
酢酸の電離平衡
熱化学方程式・化学平衡まとめ


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2023年02月27日

高校化学「物質の変化と平衡」四酸化二窒素と二酸化窒素の平衡A

高校化学「物質の変化と平衡」四酸化二窒素と二酸化窒素の平衡A

◆問題

ある温度で、n[mol]の四酸化二窒素N2O4を体積V[L]の容器に入れると、二酸化窒素NO2を生じて平衡状態に達した。このときの全圧をP[Pa]、四酸化二窒素の解離度をαとして、次の問いに答えよ。

N2O4(気)⇄2NO2(気)

(1) 平衡状態における二酸化窒素の物質量を求めよ。

(2) 平衡時の四酸化二窒素の分圧を求めよ。


このページ下では、(2)の解答を掲載します。


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◆解答解説

(1)の解説では省略しましたが、四酸化二窒素と二酸化窒素の平衡の物質量についての表を書いてみましょう。

    N2O4  NO2

はじめ  n    0

変化量 −nα  +2nα

平衡時 n(1−α) 2nα

このようになりますね。

平衡時には、N2O4はn(1−α)[mol]、NO2は2nα[mol]存在していることになります。
合計すると、n(1−α)+2nα=n(1+α)[mol]の分子が容器内に存在していることになります。

分圧は分子数に比例するので、N2O4とNO2の分圧の比は、平衡時の物質量の比と同じになります。

つまり、圧力についても、

N2O4:NO2=n(1−α):2nα

です。

平衡時の全圧はP[Pa]だから、求める四酸化二窒素の分圧は、

P×n(1−α)/{n(1+α)}=P(1−α)/(1+α)[Pa]


次の問題→平衡定数


◆関連項目
酢酸の電離平衡
熱化学方程式・化学平衡まとめ


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2023年02月26日

高校化学「物質の変化と平衡」四酸化二窒素と二酸化窒素の平衡@

高校化学「物質の変化と平衡」四酸化二窒素と二酸化窒素の平衡@

◆問題

ある温度で、n[mol]の四酸化二窒素N2O4を体積V[L]の容器に入れると、二酸化窒素NO2を生じて平衡状態に達した。このときの全圧をP[Pa]、四酸化二窒素の解離度をαとして、次の問いに答えよ。

N2O4(気)⇄2NO2(気)

(1) 平衡状態における二酸化窒素の物質量を求めよ。


解答はこのページ下に掲載します。


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◆解答解説

四酸化二窒素の解離度がαということは、四酸化二窒素のうちαの割合だけが二酸化窒素になった。ということです。

最初の四酸化二窒素の物質量はn[mol]だから、そのうちのαは、nα[mol]ですね。

N2O4(気)⇄2NO2(気)

この式から、N2O4:NO2=1:2だから、

N2O4がnα[mol]ならば、NO2はその2倍の2nα[mol]生じた。と考えることができます。


次の問題→平衡時のN2O4の分圧


◆関連項目
酢酸の電離平衡
熱化学方程式・化学平衡まとめ


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2023年02月14日

高校化学(用語)「ルシャトリエの原理」

高校化学(用語)「ルシャトリエの原理」

★ルシャトリエの原理(Le Chatelier's principle)

平衡状態において、濃度、圧力、温度などを変化させると、その影響を和らげる向きに反応が進み、新しい平衡状態に達する。という原理。


例えば、

ある物質の濃度が上がれば、その物質の濃度が下がる方向に反応が進む。
圧力が上がれば、圧力が下がる方向に反応が進む。つまり、分子数が減る方向に反応が進む。
温度が上がれば、温度を下げる方向に反応が進む。つまり、発熱反応ならば逆反応が進む。

このようになります。

左右両辺に複数の物質が登場する反応の場合は、変化量をx,平衡定数をKなどの文字で表し、新しい平衡状態の式を作るのが標準的です。

例えば、酢酸とエタノールの平衡の問題など。


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◆関連項目
化学平衡平衡定数電離平衡
熱化学方程式・化学平衡まとめ


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2023年02月13日

高校化学(用語)「ヘスの法則」

高校化学(用語)「ヘスの法則」

★ヘスの法則(Hess' law)

反応の最初と最後の状態が定まれば、全体の反応熱の総和は、反応の経路にかかわらず一定であるという法則。


熱化学方程式を普通の数学の方程式と同様に計算することができるのは、このヘスの法則が成り立っているからですね。
反応前の状態と反応後の状態により反応熱が決まるのだから、途中経過にどんな反応をはさんでも(他の熱化学方程式を代入しても)、最終的な反応熱は変わらないということができます。


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◆関連項目
熱化学方程式反応熱
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2023年02月11日

高校化学(用語)「格子エネルギー」

高校化学(用語)「格子エネルギー」

★格子エネルギー(lattice energy)

結晶を構成する粒子を、引き離して気体にするために必要なエネルギー。


例えば、塩化ナトリウムの格子エネルギーの式は以下のようになります。

NaCl(固)=Na+(気)+Cl-(気)−772kJ



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◆関連項目
反応熱
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2023年02月10日

高校化学(用語)「結合エネルギー」

高校化学(用語)「結合エネルギー」

★結合エネルギー(bond energy)

分子内の共有結合を切断して原子にするために必要なエネルギー。


結合エネルギーは通常1molあたりのエネルギーで表されて、結合エネルギーを利用して反応熱を求めることかできます。
逆に、反応熱を利用して結合エネルギーを求めることもできます。

例:結合エネルギーが与えられて、水素と塩素から塩化水素が生じるときの反応熱を求めるとき。

H−H,Cl−Cl,H−Clの結合エネルギーをそれぞれ、436kJ/mol,243kJ/mol,432kJ/molとして、

H2+Cl2=2HCl+QkJ

この式のQを求めます。
左辺にはH−H結合が1つ、Cl−Cl結合が1つあり、右辺にはH−Cl結合2つとQkJだから、

Q=432×2−436−243
 =864−679
 =185kJ

このようにして結合エネルギーから反応熱を求めることができます。


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2023年02月09日

高校化学(用語)「化学平衡」

高校化学(用語)「化学平衡」

★化学平衡(chemical equilibrium)

可逆反応において、正反応の速さと逆反応の速さが等しくなった状態を化学平衡(平衡状態)という。


平衡状態では、反応が止まっているように見え、反応物と生成物が共存する状態になります。

例:
H2+I2⇄2HI


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平衡定数電離平衡
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2023年02月08日

高校化学(用語)「水のイオン積」

高校化学(用語)「水のイオン積」

★水のイオン積(ion product of water)

水の水素イオンH+と水酸化物イオンOH-のモル濃度の積を水のイオン積という。


例えば、pH7の純水の場合、H+のモル濃度が1.0×10-7mol/Lですね。
ということは、OH-のモル濃度も1.0×10-7mol/Lです。

これらの積が水のイオン積となります。

(1.0×10-7)×(1.0×10-7)=1.0×10-14


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2023年02月07日

高校化学(用語)「昇華熱」

高校化学(用語)「昇華熱」

★昇華熱(heat of sublimation)

物質1molが昇華するときに吸収する熱量を昇華熱という。


例えば25℃1atmで、氷が昇華して水蒸気になる場合の熱化学方程式は以下のようになります。

H2O(固)=H2O(気)−50kJ

周りの温度や圧力でその値は変わりますが、「昇華熱=融解熱+蒸発熱」という関係になります。


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◆関連項目
融解熱蒸発熱
反応熱熱化学方程式
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2023年02月06日

高校化学(用語)「蒸発熱」

高校化学(用語)「蒸発熱」

★蒸発熱(heat of evaporation)

物質1molが蒸発するときに吸収する熱量を蒸発熱という。


例えば100℃での、水の蒸発の熱化学方程式は以下のようになります。

H2O(液)=H2O(気)−41kJ


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2023年02月05日

高校化学(用語)「融解熱」

高校化学(用語)「融解熱」

★融解熱(heat of fusion)

物質1molが融解するときに吸収する熱量を融解熱という。


例えば氷が融解して水になる場合の熱化学方程式は以下のようになります。

H2O(固)=H2O(液)−6.0kJ


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2023年02月03日

高校化学(用語)「熱化学方程式」

高校化学(用語)「熱化学方程式」

★熱化学方程式(thermochemical equation)

化学反応式の矢印をイコールに変えて、右辺に反応熱を加えた式を熱化学方程式という。


単に熱量を書き足しただけでなく、イコールになって「方程式」なので、数学の方程式と同様に、移項、代入などの「計算」をすることができます。
連立方程式の要領で、生成熱の方程式から、反応熱の方程式を導く。などに使われることが多いです。

たとえばこんな問題→尿素の反応熱


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◆関連項目
反応熱燃焼熱生成熱中和熱
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2023年01月29日

高校化学(用語)「溶解熱」

高校化学(用語)「溶解熱」

★溶解熱(heat of solution)

物質1molが多量の水に溶解するときに生じる熱量。


溶解なので、物質と水は化学反応するわけではありません。だから熱化学方程式では、溶媒の水はH2Oではなくaqで表します。

例:

KNO3(固)+aq=KNO3aq−35kJ

この式ではaqは溶媒の水を表し、KNO3aqは「KNO3の水溶液」を意味しています。



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2023年01月28日

高校化学(用語)「中和熱」

高校化学(用語)「中和熱」

★中和熱(heat of neutralization)

酸と塩基が中和するときに発生する熱量。
通常は、中和によって1molの水が生じるときの熱量。


酸と塩基の反応によって水が1mol生じる場合なので、通常はH+とOH-の反応熱が中和熱になります。

++OH-=H2O+56kJ


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2023年01月27日

高校化学(用語)「燃焼熱」

高校化学(用語)「燃焼熱」

★燃焼熱(heat of combustion)

物質1molを完全燃焼するときに発生する熱量。


燃焼なので、酸素との反応になります。
目的の物質が1molで、酸素は1molとは限らないことに注意しましょう!


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2023年01月26日

高校化学(用語)「生成熱」

高校化学(用語)「生成熱」

★生成熱(heat of formation)

その物質1molを、構成元素の単体から生成するときの反応熱を生成熱という。


「1mol」「単体から生成」がポイントです。
熱化学方程式では、目的となる物質が1molになるよう係数を調整するので、係数が分数になることがあります。


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◆関連項目
燃焼熱中和熱溶解熱
尿素の反応熱
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高校化学(用語)「反応熱」

高校化学(用語)「反応熱」

★反応熱(heat of reaction)

化学反応によって出入りする熱量。一般に、25℃、1.013×105Paにおける、物質1molあたりの熱量kJ/molで示す。


反応熱には、燃焼熱、生成熱、中和熱、溶解熱などがありますが、化学反応の種類によって呼び方が違うだけで、熱化学方程式の作り方や扱い方は変わりません。


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燃焼熱生成熱中和熱溶解熱
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2023年01月25日

高校化学「熱化学方程式・化学平衡」まとめ

高校化学「熱化学方程式・化学平衡」まとめ

高校化学の「熱化学方程式」「化学平衡」について、このブログに掲載した解説・問題の一覧です。用語ページには、その語句の標準的な英語表記も併記しています。

◆用語・性質等

熱化学方程式ヘスの法則

反応熱
燃焼熱生成熱中和熱溶解熱

融解熱蒸発熱昇華熱

結合エネルギー格子エネルギー

化学平衡平衡定数
ルシャトリエの原理
電離平衡
水のイオン積
緩衝液

生成熱の熱化学方程式の作り方
モル濃度

◆問題

尿素の反応熱

酢酸水溶液の電離平衡
四酸化二窒素と二酸化窒素の平衡

酢酸とエタノールの混合溶液の平衡


どんどん追加していきます!
リクエストがあればお気軽にどうぞ!


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2023年01月24日

高校化学「熱化学方程式」尿素の生成

高校化学「熱化学方程式」尿素の生成

◆問題

二酸化炭素CO2とアンモニアNH3を高温・高圧で反応させると、尿素(NH2)2COが生成する。このときの熱化学方程式の反応熱Qは何kJか。ただし、CO2(気),NH3(気),(NH2)2CO(固),水H2O(液)の生成熱は、それぞれ394kJ/mol,46kJ/mol,333kJ/mol,286kJ/molとする。

CO2(気)+2NH3(気)=(NH2)2CO(固)+H2O(液)+QkJ


解答はこのページ下に掲載します。


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◆解答解説

生成熱は構成元素の単体からその物質1molを生成したときに発生する熱量です。
問題に与えられた生成熱の値から、以下の式を立てることができます。

C+O2=CO2+394kJ
(1/2)N2+(3/2)H2=NH3+46kJ
N2+2H2+C+(1/2)O2=(NH2)2CO+333kJ
H2+(1/2)O2=H2O+286kJ

熱化学方程式の反応熱に関する問題は、これらの方程式を数学の連立方程式の要領で、組み合わせることによって解くことができます。
目的の式の左辺にはCO2と2NH3があるので、その通りに移項し係数も合わせます。

CO2+394kJ=C+O2
2NH3+92kJ=N2+3H2

あとはそのまま4つの式を足すと、

CO2+394kJ+2NH3+92kJ+N2+2H2+C+(1/2)O2+H2+(1/2)O2=C+O2+N2+3H2+(NH2)2CO+333kJ+H2O+286kJ

とりあえず、左辺と右辺それぞれをそのまま足しました。
両辺に同数あるものを相殺して、熱量を右辺に集めると、

CO2+2NH3=(NH2)2CO+H2O+333kJ+286kJ−394kJ−92kJ

単体は偶然にも(?)全て消えて、目的の形と同じ式ができあがりました!
(もちろん偶然ではありません(笑)生成熱の式が正しくできていれば、そして問題が正しければ必ず不要なものは全て消えます)
あとは熱量の数値を計算すると・・・

CO2+2NH3=(NH2)2CO+H2O+133kJ

つまり、Q=133ですね!


◆関連項目
一酸化炭素の生成熱
熱化学方程式・化学平衡まとめ


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こんなヤツです
名前:江間淳
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