平衡

可逆反応は双方向に進むことができます。正反応は生成物を作り、逆反応は生成物を再び反応物に戻します。私たちは記号 $\rightleftharpoons$ でこれを表します。

閉系（何物も出入りしない系）において、反応が動態平衡に達するのは次のときです:

• 正反応の速度が逆反応の速度と等しいとき。
• 反応物と生成物の濃度が一定のままであるとき。

動的と呼ばれるのは、両方の反応がまだ進行しているためです——単に相殺し合っているだけです。閉系が必要であり、 otherwise 生成物が逃げてしまい、平衡に到達することは決してありません。

ルシャトリエの原理とは、平衡状態にある系に変化を加えると、その変化に逆らう方向（変化を減少させる方向）へ平衡位置が移動することを示しています。

触媒は平衡に達する時間を短くしますが、平衡位置そのものを変えることはありません。

平衡状態にある反応において、平衡定数は生成物と反応物の量を結びつけます。反応 $a\text{A} + b\text{B} \rightleftharpoons c\text{C} + d\text{D}$ については:

ここで角括弧は $\text{mol dm}^{-3}$ における濃度を表します。

** worked example.** 平衡状態での混合物 $\text{H}_2 + \text{I}_2 \rightleftharpoons 2\text{HI}$ は $[\text{H}_2] = 0.20$、$[\text{I}_2] = 0.20$、$[\text{HI}] = 1.6\ \text{mol dm}^{-3}$ を含んでいます。$K_c$ を求めよ。

(単位はない。なぜなら、濃度のべき乗が上下で打ち消し合うからである)。

** worked example (ICE表).** $1.00\ \text{mol}$ の $\text{H}_2$ と $\text{I}_2$ が $1.00\ \text{dm}^3$ のフラスコに封入され、平衡状態で $0.20\ \text{mol}$ の $\text{H}_2$ が残っています。ICE表（Initial: 初期, Change: 変化量, Equilibrium: 平衡）を立てよ:

$0.80\ \text{mol}$ の $\text{H}_2$ が反応したため、$2\times0.80 = 1.60\ \text{mol}$ の HI が生成された。$1.00\ \text{dm}^3$ のフラスコでは濃度が物質量に等しいので、$K_c = \dfrac{1.60^2}{0.20\times0.20} = 64$ 。

気体の反応においては、濃度の代わりに分圧を用いる。気体の分圧とは、全圧に対するその気体が寄与する割合のことである。これはモル分率（その気体のモル数が全モル数に占める割合）から求められる:

分圧で表される定数は $K_p$ である。

** worked example.** 気体混合物に $2.0\ \text{mol}$ の $\text{N}_2$ と $6.0\ \text{mol}$ の $\text{H}_2$ が含まれ、全圧は $200\ \text{kPa}$ です。各気体の分圧を求めよ。

合計で $8.0\ \text{mol}$ なので、

** worked example (数値の $K_p$ )**. $\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightleftharpoons 2\text{NH}_3$ についての平衡分圧は $p(\text{N}_2)=20$、$p(\text{H}_2)=40$、$p(\text{NH}_3)=10\ \text{kPa}$ です。したがって

温度のみが $K_c$ や $K_p$ の値を変化させます。濃度や圧力の変化は平衡位置をずらすだけで定数は変えず、触媒の添加は定数も平衡位置もどちらも変えません——単に平衡に達するのを早めるだけである。

これらの2つの工業プロセスは、ルシャトリエの原理を用いて収率、反応速度、コストのバランスを取って選ばれている。

• ハーバー法はアンモニアを合成する: $\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightleftharpoons 2\text{NH}_3$ （発熱）。約 $450\,°\text{C}$、$200\ \text{atm}$ 、鉄触媒を使用する。低い温度ではより多くのアンモニアが得られるが、反応速度があまりにも遅いため、適度な温度が妥協点として採用されている。
• コンタクト法は三酸化硫黄を合成する: $2\text{SO}_2 + \text{O}_2 \rightleftharpoons 2\text{SO}_3$ （発熱）。約 $450\,°\text{C}$、近傍 $1$–$2\ \text{atm}$ 、五酸化バナジウム触媒を使用する。

プロトンは単なる $\text{H}^+$ イオンである。ブレンステッド-ローリー説は、酸と塩基をプロトンに対するその振る舞いで定義する：

• 酸とはプロトン供与体であり（$\text{H}^+$ を放出する）。
• 塩基とはプロトン受容体であり（$\text{H}^+$ を取り込む）。水に溶解する塩基をアルカリという。

知っておくべき一般的な酸: 塩酸 ($\text{HCl}$)、硫酸 ($\text{H}_2\text{SO}_4$)、硝酸 ($\text{HNO}_3$)、酢酸 ($\text{CH}_3\text{COOH}$)。一般的なアルカリ: 水酸化ナトリウム ($\text{NaOH}$)、水酸化カリウム ($\text{KOH}$)、アンモニア ($\text{NH}_3$)。

これは酸や塩基が水中でどれだけ完全に解離するかについてであり、濃度については述べていない。

• 強酸または強塩基は水中で完全に解離している（ほぼすべての分子がイオンに分裂している）。
• 弱酸または弱塩基は部分的にしか解離していない（大部分の分子はそのままの形を保っている）。

pHスケールは溶液の酸性度を測る: 純水は pH 7、酸は 7 より低く、アルカリは 7 より高い。同じ濃度の酸であれば、強酸の方が弱酸よりも低い pH を持つ。

強酸と弱酸を区別する方法は以下の通りである:

• 活性金属との反応: 強酸の方が泡立ちが速い。
• pH: pHメーターや万能指示薬で測定する。
• 電気伝導度: 強酸の方が伝導性が良い。イオン数が多いからである。

中和反応とは、酸由来の水素イオンが塩基由来の水酸化物イオンと反応する現象です：

また、酸と塩基の残りの部分から塩も生成されます。

滴定法では、ある溶液を別の溶液に加えながらpHを追跡します。滴定曲線は终点付近で急峻でほぼ垂直なジャンプを示します。正確な形状は、それぞれの反応物が強か弱かによって異なります。

指示薬を選ぶ際は、その色変化が急峻なジャンプ範囲内にあるものを選びます。強酸と強塩基の場合、ほとんどの指示薬が機能しますが、弱酸と強塩基の場合、より高いpH域で色変化するものが必要です。

• 動的平衡を以下の3点を用いて定義してください：正反応速度と逆反応速度が等しいこと、濃度が一定であること、密閉系であること。
• ル・シャトリエの原理に関する質問に答える際は、変化内容、シフト方向、理由を明記してください。触媒は平衡位置を変化させない（両方の速度を速めるのみ）ことに注意すること。
• $K_c$を生成物÷反応物として書き、各々の指数には係数を記載してください。状態記号を含めて、何が含まれるかを判断すること。
• ハーバー法やコンタクト法の条件を、収率、速度、コストの間の妥協点として正当化してください。単に条件を羅列するだけでは不十分です。
• ブレンステッド：酸＝プロトン供与体、塩基＝プロトン受容体；共役対はプロトン $\text{H}^+$ 1個の違いがあります。