高校化学 Unit 09

化学平衡

反応はなぜ途中で止まるように見える？平衡定数とルシャトリエの原理で平衡移動を制御しよう。

⚖️ 化学平衡📊 平衡定数 Kc↔️ ルシャトリエの原理

化学平衡と平衡定数

満員電車で、ドアが開くと何人か降りて何人か乗ってくる。人数だけ見ると変化していないように見えても、実際には人の出入りは絶えず起きている。化学反応もこれと似た状態になることがある。

密閉容器の中で進む反応の中には、反応物から生成物ができる反応(正反応)と、生成物から反応物に戻る反応(逆反応)が同時に起こるものがある。しばらくすると、両方の反応の速さが釣り合って、見かけ上は濃度が変化しなくなる。これを化学平衡という状態で、反応が完全に止まったわけではなく、正逆の反応が同じ速さで進み続けている。

可逆反応では、正反応と逆反応の速度が等しくなった状態（化学平衡）で、見かけ上変化が止まる。このとき各成分の濃度は一定となり、その比を平衡定数 Kc（または圧力基準の Kp）で表す。Kc は温度のみで変化する。

📐 平衡定数の定義

反応	Kc の式	説明
aA + bB ⇌ cC + dD	Kc = [C]ᶜ[D]ᵈ / ([A]ᵃ[B]ᵇ)	[ ] はモル濃度 [mol/L]
気体反応の Kp	Kp = P_C^c × P_D^d / (P_A^a × P_B^b)（分圧基準）	Kp = Kc × (RT)^(Δn)（Δn：気体molの変化量）
Kc の温度依存性	温度が変わると Kc が変わる	濃度・圧力を変えても Kc は変化しない

📉 平衡へ近づく濃度変化(計算例)

図1:可逆反応 A⇌B(正反応の速度定数kf=0.05/s、逆反応kr=0.02/s、初濃度[A]₀=1.0 mol/L)における[A]・[B]の時間変化。反応速度式(d[A]/dt=−kf[A]+kr[B])を実際に解いて計算した値をプロット。時間が経つと[A]・[B]はそれぞれ一定値(平衡値、[A]eq≈0.286、[B]eq≈0.714)に収束し、その比[B]eq/[A]eq=kf/kr=2.5がKcと一致する。

⚠️ 固体や純粋な液体は濃度が一定なので Kc の式に含めない。例：CaCO₃(s) ⇌ CaO(s) + CO₂(g) では Kc = [CO₂] のみ。

❌ よくある誤解

誤:化学平衡に達すると、正反応・逆反応はどちらも止まる正:平衡状態でも正反応・逆反応は起こり続けており、両方の速度がちょうど等しくなっているために「見かけ上」濃度が変化しないだけである(動的平衡)

ミクロで見れば分子は絶えず反応し続けている。平衡は「反応が止まった状態」ではなく「反応が釣り合っている状態」と理解する。

誤:平衡定数Kcの値は、反応物・生成物の初濃度をどう設定するかで変わる正:Kcは温度が一定であれば、初濃度をどう設定しても(どんな配合比から出発しても)同じ値になる。Kcを変えられるのは温度だけである

出発点の濃度が違っても、十分時間が経てば必ず同じKcの値に落ち着く。これはKcが「反応の進みやすさの指標」として温度だけで決まる本質的な量だから。

💡 なぜ平衡状態では濃度が一定に落ち着くのか? 反応が始まった直後は反応物の濃度が高いため正反応の速度が大きい、生成物の濃度は低いため逆反応の速度は小さい。反応が進むにつれて反応物は減り(正反応の速度が低下)、生成物は増える(逆反応の速度が上昇)。この2つの速度がちょうど等しくなった時点で、正反応による減少量と逆反応による増加量が釣り合い、それ以上濃度が変化しなくなる。これが化学平衡の状態である。

ルシャトリエの原理と平衡移動

満員電車がある駅で少し混みすぎたら、次の駅でいつもより多く人が降りて混雑を和らげようとするような「バランスを取り戻そうとする働き」が、化学平衡にも存在する。

例えば、平衡状態にある容器に反応物を追加すると、系は追加された分を打ち消すように反応が進み、新しい平衡状態に落ち着く。このように、外から変化を加えると、その変化を打ち消す方向に平衡がずれる性質をルシャトリエの原理という。

ルシャトリエの原理：平衡状態にある系に外部から変化（濃度・温度・圧力）を与えると、その変化を打ち消す方向に平衡が移動する。

図2：ルシャトリエの原理まとめ。変化を「打ち消す方向」に平衡が移動する。

❌ よくある誤解

誤:平衡混合物に不活性気体(反応に関与しないアルゴンなど)を加えると、必ず平衡が移動する正:体積一定のまま不活性気体を加えても、各成分の分圧・濃度は変わらないため平衡は移動しない。全圧一定の条件で不活性気体を加えて体積が増える場合のみ、各成分の分圧が下がり平衡が移動する

「圧力を変える」という操作が、反応に関わる気体の濃度・分圧を実際に変化させるかどうかで判断する必要がある。

誤:平衡移動が起きると、平衡定数Kcの値も変化する正:濃度や圧力の変化による平衡移動ではKcは変化しない(同じKcを保ったまま新しい濃度の組み合わせに移る)。Kcが変化するのは温度を変えたときだけ

「平衡が移動する」ことと「Kcが変わる」ことは別の現象。濃度・圧力変化はKc一定のまま平衡組成だけを変え、温度変化はKcそのものを変える。

💡 なぜ濃度を変えると平衡が移動するのか? 平衡状態でKc=[生成物]/[反応物]という一定の比が保たれている。ここで反応物の濃度を急に増やすと、この比の分母が大きくなり、Kcの値より小さくなってしまう(見かけ上比がずれる)。系はこのずれを解消してKcの値に戻そうとするため、生成物を作る方向(正反応)に反応が進み、新しい濃度の組み合わせで再びKcの値に落ち着く。

🎯 練習問題

まず自分で解いてから、「答えを見る」を押して確かめよう。

問1 ★ 化学平衡

可逆反応で、正反応と逆反応の速さが等しくなり、見かけ上、反応が止まって見える状態を何というか。

答えを見る

答え化学平衡（平衡状態）

反応が止まったのではなく、正反応と逆反応が同じ速さで進んでいる。

問2 ★★ 平衡定数

H₂ + I₂ ⇌ 2HI の反応が平衡状態にあり、[H₂] = 0.10 mol/L、[I₂] = 0.10 mol/L、[HI] = 0.70 mol/L であった。平衡定数 Kc はいくつか。

答えを見る

答え49

Kc = [HI]² ÷ ([H₂][I₂]) = 0.49 ÷ 0.010。

問3 ★★ 平衡定数

N₂O₄ ⇌ 2NO₂ の反応が平衡状態にあり、[N₂O₄] = 0.50 mol/L、[NO₂] = 0.20 mol/L であった。平衡定数 Kc は何mol/Lか。有効数字2桁で答えよ。

答えを見る

答え0.080 mol/L

Kc = [NO₂]² ÷ [N₂O₄] = 0.040 ÷ 0.50。

問4 ★★ 平衡の移動（圧力）

N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ の反応が平衡状態にある。温度を変えずに圧力を高くすると、平衡はどうなるか。

ア右（NH₃ が増える向き）に移動する
イ左（NH₃ が減る向き）に移動する
ウ移動しない

答えを見る

答えア

圧力を高くすると、気体の分子数が減る向きに移動する（左辺4 mol、右辺2 mol）。

問5 ★★ 平衡の移動（温度）

N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ の正反応は発熱反応である。この反応が平衡状態にあるとき、圧力を変えずに温度を高くすると、平衡はどうなるか。

ア右（NH₃ が増える向き）に移動する
イ左（NH₃ が減る向き）に移動する
ウ移動しない

答えを見る

答えイ

温度を高くすると、吸熱の向き（逆反応の向き）に移動する。

問6 ★★★ 平衡の移動（触媒）

N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ の反応が平衡状態にある。ここに触媒を加えると、平衡はどうなるか。

ア右（NH₃ が増える向き）に移動する
イ左（NH₃ が減る向き）に移動する
ウ移動しない

答えを見る

答えウ

触媒は反応を速くするが、平衡の位置は変えない。

✅ この単元のまとめ

化学平衡：正逆反応速度が等しくなった動的平衡状態(反応は止まっていない)
平衡定数 Kc = [生成物]の積 / [反応物]の積（固体・純液体は含めない）；Kc=kf/kr
Kc は温度のみで変化する（濃度・圧力では変化しない）
ルシャトリエの原理：外部変化 → 変化を打ち消す方向へ平衡移動
濃度増加 → その成分が減る方向へ移動
温度上昇 → 吸熱方向へ移動；圧力増大 → 気体 mol 数が減る方向へ移動
触媒：平衡移動なし（平衡定数 Kc は変化しない、到達時間だけが短くなる）

前：反応速度次：電離平衡

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