温度と平衡移動(発熱と吸熱・平衡定数を変えられるのは温度だけ)

色でわかるつりあい

二酸化窒素は褐色、四酸化二窒素は無色です。2 個の二酸化窒素がくっついて 1 個の四酸化二窒素になる、というだけの反応ですが、どちらへ寄ったかが色でそのまま見えるので、教科書でも実験でもよく使われます。

ふつうの温度に置くと、褐色と無色がある割合で落ち着きます。グラフの 2 本の線が平らになったところが、そのつりあいです。

この反応の正方向は発熱です。くっつくときに熱が出ます。ですから逆方向、つまり分かれるほうは吸熱です。ここから先の話は、この一点で決まります。

温めると、褐色が濃くなる

温度を上げます。加えられた熱を減らそうとして、つりあいは熱を吸う向きへ動きます。この反応では、四酸化二窒素が分かれて二酸化窒素になる向きです。

図では、温めたところで褐色の粒が増えます。線も段になって動きます。実験でこの気体を入れた容器を湯につけると、目に見えて色が濃くなります。

温度を上げると吸熱の側へ寄る、というのは覚え方ではなく、加えた熱を打ち消す向きへ動く、というだけのことです。

冷やすと、無色へ

こんどは冷やします。奪われた熱を補おうとして、つりあいは熱を出す向き、つまり 2 個がくっついて無色の四酸化二窒素になる向きへ寄ります。

図では無色の粒が増え、褐色が薄くなります。同じ容器を氷水につければ、色が薄くなるのが見えます。

ここまでの 2 つは、同じ 1 つの言い方で説明できます。温度を変えると、その変化を和らげる向きへ動く。それだけです。

値そのものを変えるのは、温度だけ

つりあったときの濃度から決まった形の分数を作ると、いつも同じ値になります。これが平衡定数です。

容器を狭めてみます。粒の数は動きますが、つりあったあとに同じ分数を作り直すと、値は元へ戻ります。濃度を変えても、加えても、値は戻ります。

ところが温度を変えると、値そのものが別の数になります。図の 2 つを見比べてください。狭めたほうは値が同じで、温めたほうは値が変わっています。

平衡定数は温度の関数である、という言い方はこのことを指しています。濃度も圧力も、つりあいの位置は動かしますが、平衡定数は動かしません。

アンモニアの合成
シミュレーション止まっていないのに、変わらない狭めると、分子の数が減る側へ混ぜても、動くときと動かないときがある速さと平衡は、別のことを言っている分圧で作る平衡定数
二酸化窒素の二量化
シミュレーション温めると、熱を吸う側へ加えた変化を、和らげる向きへ何割が分かれているか
ヨウ化水素の生成
シミュレーションつりあうと、値が止まる始めの量を変えても、値は同じQ と K を比べれば、向きが分かる分子の数が変わらなければ、圧力は効かないつりあいの条件を、そのまま式にする
クロム酸と二クロム酸
シミュレーション加えると、反対側へ逃げる水は溶媒だから、式に出てこない