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

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◆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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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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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�@

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◆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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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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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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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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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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反応熱
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高校化学(用語)「化学平衡」

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★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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◆関連項目
平衡定数、電離平衡
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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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平衡定数、電離平衡
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高校化学(用語)「昇華熱」

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★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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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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融解熱、昇華熱
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高校化学(用語)「融解熱」

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★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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◆関連項目
蒸発熱、昇華熱
反応熱、熱化学方程式
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高校化学(用語)「熱化学方程式」

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★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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高校化学(用語)「溶解熱」

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★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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反応熱、燃焼熱、生成熱、中和熱
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高校化学(用語)「中和熱」

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★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。

Ｈ⁺＋ＯＨ^-＝Ｈ₂Ｏ＋５６ｋＪ


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◆関連項目
反応熱、燃焼熱、生成熱、溶解熱
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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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◆関連項目
反応熱、生成熱、中和熱、溶解熱
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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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◆関連項目
燃焼熱、生成熱、中和熱、溶解熱
尿素の反応熱
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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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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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高校化学「精講」シリーズ


◆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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