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高校化学!物質の変化と平衡:化学反応と化学平衡を理解するうえで重要な3つのポイント

反応速度や化学平衡は気体、液体が化学的にどのような変化をするか理解する上で重要です。いくつかポイントを押さえて記事にしました。

反応速度

そもそもどうすれば反応するか考えて見ましょう。反応は物質同士がぶつかって起こるものです。どうすれば物質同士がぶつかり易くなるかイメージしながら考えてください

反応速度に影響を与える要因をいかに挙げていきます。

1:濃度

濃ければ濃いほど分子同士がぶつかりやすいので反応が早くなります。

ドッジボールに例えましょう。内野の数が多いほど、またボールの数が多いほど当たりやすいですよね。

余談ですが表面積も要因の一つです。大きい塊1個より小さな塊が無数にあった方が表面積が増える分、反応速度は上がります。

2:温度

温度が高ければ高いほど熱エネルギーが高くなります。分子には熱エネルギーを運動エネルギーに変換する性質がありますので、それだけ、分子の動きが大きくなります。大きく動けば動くほど、分子同士が当たり、反応が起きやすくなります。

3:触媒

分子と分子が衝突してくっついた不安定な状態を活性化状態といいます。活性化状態は一瞬で壊れて、くっつく前に戻ります。

ただしエネルギーが一定以上だと反応が進みます。このエネルギーを活性化エネルギーといいます。触媒には活性化エネルギーを下げる働きがあります。

例えるならトンネルでしょうか。車で走っていて山の頂上まで登ってから下るよりもトンネルを通り抜けたほうが早いですよね。そのトンネルが触媒だと思ってください。

反応速度の表し方

反応速度v=変化量/時間 単位は[mol/s]あるいは[mol/s・l] lはリットル

つまり一秒当たり、または一秒・1リットル当たり何mol反応したかで表します。

反応速度を理解するうえで大切なのは分子が動くイメージです

化学平衡とその移動

可逆反応 以下のように化学反応において正反応(原料から生成物が出来る)と逆反応(生成物が原料に戻る)が両方起こる現象をいいます

この場合の水素(H2)とヨウ素(I2)からヨウ化水素(HI)が発生するのが正反応、ヨウ化水素(右)が水素とヨウ素(左)に分離して元に戻るのが逆反応です。

化学平衡 正反応と逆反応が同じ速度で起こるので結果的に反応が止まっているように見える状態のことを指します。

たとえば先ほどの化学式において左辺と右辺の反応が起きているのに水素分子もヨウ素分子の数もヨウ化水素分子の数も変わらない状態のときが化学平衡です。

化学平衡の移動

例えば

の平衡状態でHIを増やすと、平衡を保つために左辺のH2とI2を増やします。これが化学平衡の移動です。

平衡状態であるとき温度、濃度、圧力などの条件を変化させると、その変化を緩和する方向へ平衡が移動します。

図の場合、平衡状態にHIを加え、HIの濃度が変化しました。しかし化学平衡によりHIが減り、H2とI2が増えました。つまりHIが多いという変化を打ち消すための反応が起きたのです。

これをルシャトリエの法則といいます
きちんと化学平衡を理解していればあとはその応用ですから難しくありません

電離平衡

水のイオン積

水溶液では以下のような関係式が成立します。

このKwを水のイオン積と呼びます。つまり酸性[H+]が大きいほど塩基性[OH-]が小さくなり逆に塩基性[OH-]が大きいほど酸性[H+]が小さくなります。

pH

水のイオン積から[H+]の値が大きいほど酸性が強く、小さいほど塩基性が強いことがわかります。そこで[H+]の値を使ってその水溶液の性質を示すことが出来ます。ただし[H+]の値は非常に小さいので

[H+]を10^-xと指数計算で表します。このxをpHと呼びます。

ちなみに中性の場合[H+]=[OH-]なので

指数計算を理解する必要があります

弱酸や弱塩基の電離平衡

電解質の水溶液では下記のように平衡が成立しています。これを電離平衡といいます。

酢酸水溶液中では酢酸イオンと水素イオンに分離すると同時に酢酸イオンと水素イオンから酢酸が同量作られます。

おわりに

このあたりは高校の化学の基本ですのでしっかり押さえておきましょう。

化学というのは出来れば実験して実際に目にして理解した方が良いのです。

今回はその代わりにイラストを作りました。そこから何が起きているのかイメージしてください。

(image by amanaimages)
(image by 筆者)

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