濃度平衡定数と圧平衡定数の関係について,入試実例(2021年順天堂大学,2022年宮崎大学)を解きながら解説する。
グレーバックの部分が入試からの引用で,今回のテーマと関係のない部分を一部割愛している。なお,解答・解説は浜島書店が作成したものである。
温度 T\text{〔}\mathrm{K}\text{〕} におけるヨウ化水素生成反応の圧平衡定数 K_\mathrm{p} と濃度平衡定数 K_\mathrm{c} の関係を書け。
2021年順天堂大学
ヨウ化水素の生成は,次の化学反応式で表される。 \mathsf{H_2\text{(気)}+\;I_2\text{(気)}\rightleftarrows\;2\,HI\text{(気)}}
この反応が体積 V,温度 T で平衡のとき,\mathsf{H_2} の分圧が p_\mathsf{H_2},物質量が n_\mathsf{H_2} であるとする。\mathsf{H_2} の濃度 \mathsf{[H_2]}=\dfrac{n_\mathsf{H_2}}{V} であるので,気体の状態方程式から, p_\mathsf{H_2}V=n_\mathsf{H_2}RT\qquad p_\mathsf{H_2}=\mathsf{[H_2]}RT となる。 \mathsf{I_2},\mathsf{HI} についても同様に, p_\mathsf{I_2}=\mathsf{[I_2]}RT,\quad p_\mathsf{HI}=\mathsf{[HI]}RT であるので,圧平衡定数 K_\mathrm{p} は, K_\mathrm{p}=\dfrac{(p_\mathsf{HI})^2}{p_\mathsf{H_2}p_\mathsf{I_2}}=\dfrac{(\mathsf{[HI]}RT)^2}{\mathsf{[H_2]}RT\times \mathsf{[I_2]}RT}=\dfrac{\mathsf{[HI]}^2}{\mathsf{[H_2][I_2]}}=K_\mathrm{c}
\bm{K_\mathrm{p}=K_\mathrm{c}}
この反応は体積変化がないので,\bm{K_\mathrm{p}=K_\mathrm{c}}
密閉容器中にある気体 \mathsf{A},\mathsf{B},\mathsf{C} について,次の式の可逆反応が成立している。 a\,\mathsf{A}\;+\;b\,\mathsf{B}\;\rightleftarrows\;c\,\mathsf{C} ⑴ 以下の問について,それぞれ選択肢ア〜ウの中から正しいものを一つ選び,記号を記せ。
ⅰ〜ⅱ(省略)
ⅲ この可逆反応における圧平衡定数 K_\mathrm{p} と濃度平衡定数 K_\mathrm{c} は次の式で表される。 K_\mathrm{p}=K_\mathrm{c}(RT)^X
ここで, R は気体定数,T は温度(K)である。気体 \mathsf{A},\mathsf{B},\mathsf{C} は理想気体とすると,この式の X の値はどのようになるか。
ア. a+b+c イ. (a+b)-c ウ. c-(a+b)
(以下省略)
2022年宮崎大学
p_\mathsf{A}=\mathsf{[A]}RT,p_\mathsf{B}=\mathsf{[B]}RT ,p_\mathsf{C}=\mathsf{[C]}RT となるので,次のようになる。 K_\mathrm{p}=\dfrac{(p_\mathsf{C})^c}{(p_\mathsf{A})^a(p_\mathsf{B})^b}=\dfrac{\mathsf{[C]}^c}{\mathsf{[A]}^a\mathsf{[B]}^b}(RT)^{c-(a+b)}=K_\mathrm{c}(RT)^{c-(a+b)}
ウ