化学平衡の問題
酢酸 とエタノール を混合し、少量の濃硫酸を加えて一定温度に保つと、次の平衡が成り立つ。
この温度での平衡定数を とする。酢酸 にエタノールを加えて反応させ、平衡に達したときに、はじめの酢酸の を酢酸エチルに変えたい。はじめに加えるエタノールは何 mol 必要か。有効数字 2 桁で求めよ。
ただし、はじめに混合物中に酢酸エチルと水はふくまれず、濃硫酸は触媒としてのみはたらき、平衡に関わる物質の量に影響しないものとする。また、反応の進行による混合物の体積の変化は無視できるものとする。
この問題で使うもの
- 濃度平衡定数(説明と入口の問題)
- 平衡定数から平衡時の量を求める(説明と入口の問題)
この問題を解けるようになるまで(34 技能)
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- 平衡定数から平衡時の量を求める
ヒント
行き詰まったら、上から順に 1 つずつ開いてください。
ヒント 1
はじめに加えるエタノールを mol とおき、酢酸が 0.80 mol 反応したときの平衡時の各物質の物質量を表そう。
ヒント 2
この反応は左辺と右辺で係数の和が等しいので、平衡定数の式で体積 が消え、物質量をそのまま代入できる。
ヒント 3
平衡時は酢酸 0.20 mol、エタノール mol、酢酸エチル・水がそれぞれ 0.80 mol となる。 を解こう。
答えと解説
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解説を読む
平衡時の物質量
はじめに加えるエタノールを [mol] とする。酢酸の 、すなわち が反応すると、反応式の係数がすべて 1 なので、平衡時の物質量は
である。
平衡定数の式
混合物の体積を [L] とすると
となり、左辺と右辺の物質の係数の和が等しいので は消える。温度が一定なので が成り立ち
確かめ
のとき、平衡時は酢酸 0.20 mol、エタノール 0.80 mol、酢酸エチル 0.80 mol、水 0.80 mol で、 となり と一致する。
(参考: エタノールを酢酸と同じ 1.0 mol にした場合、反応する量を とすると より mol にとどまる。エタノールを多く加えると、ルシャトリエの原理により平衡が右に移動し、酢酸エチルの生成量が増える。)
よって、必要なエタノールは 1.6 mol である。
別解
はじめに加えるエタノールを mol とする。酢酸の 80% が反応するので、平衡時は
酢酸 、エタノール 、酢酸エチル 、水 。
この反応は反応前後で物質量が変わらないので、混合物の体積を として体積が約分され、
より 。
検算: 酢酸 0.20、エタノール 0.80、酢酸エチル 0.80、水 0.80 を代入すると で に一致する。