容積 の密閉容器の中で、ある一定温度において次の反応が平衡状態に達している。
このとき、容器内には が 、 が 、 が 存在していた。この温度における、この反応の濃度平衡定数 の値を有効数字 2 桁で求めよ。ただし、物質はすべて気体であるとする。
濃度平衡定数
平衡時の各物質の物質量（または濃度）と体積から、化学平衡の法則 を使って濃度平衡定数の値を求められる
前提
- モル濃度 （高校化学 物質量と化学反応式）
- 化学反応式と量的関係 （高校化学 物質量と化学反応式）
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一覧で見る（前提が先）
- 原子・分子と化学式 （中学理科 化学分野の用語と知識）
- 原子量・分子量・式量 （高校化学 物質量と化学反応式）
- 物質量と質量・粒子の数 （高校化学 物質量と化学反応式）
- モル濃度 （高校化学 物質量と化学反応式）
- 気体の体積と物質量 （高校化学 物質量と化学反応式）
- 化学反応式の係数 （中学理科 化学変化と原子・分子）
- 化学反応式と量的関係 （高校化学 物質量と化学反応式）
説明
正反応と逆反応がどちらも起こる反応（可逆反応）を密閉した容器で続けると、やがて見かけ上は反応が止まり、各物質の量が一定になります。この状態を化学平衡（平衡状態）といいます。この技能では、平衡状態での各物質の物質量と容器（溶液）の体積からモル濃度を求め、化学平衡の法則に代入して、濃度平衡定数 の値を計算できるようになります。 は、平衡がどれくらい生成物側に偏っているかを表す数で、平衡の計算すべての出発点になります。
なぜそうしてよいのか
可逆反応 が平衡状態にあるとき、正反応と逆反応は止まっているのではなく、同じ速さで進み続けているため、各物質の濃度が変わらなくなっています。実験で、反応物や生成物をいろいろな量から始めて平衡状態にし、平衡時のモル濃度を調べると、温度が同じであれば、平衡時の濃度の組み合わせはばらばらでも、
という値がいつも同じになることがわかっています。これが化学平衡の法則（質量作用の法則）で、 を濃度平衡定数（または単に平衡定数）といいます。ここで は平衡時の物質 X のモル濃度（mol/L）で、分子に生成物、分母に反応物を置き、それぞれ反応式の係数を指数にします。
係数が指数になるのは、たとえば係数 2 の物質 は「X と X」の 2 つ分として濃度が 2 回掛かる、と考えるとイメージしやすいでしょう。 の式に入れるのはモル濃度なので、物質量が与えられたときは、モル濃度の技能 を使って、平衡時の物質量を体積で割ってから代入します。単位は を 乗したものになり、 なら単位はありません。
手順
反応式を確認し、生成物（右辺）と反応物（左辺）、それぞれの係数を読み取る
化学平衡の法則の式 を、その反応について書く（分子が生成物、分母が反応物、係数が指数）
平衡時の各物質の物質量 を容器（溶液）の体積 で割り、モル濃度 を求める（はじめの量ではなく、平衡時の量を使う）
モル濃度を式に代入して計算し、指定された有効数字に丸める。単位は
例題
容積 の密閉容器に四酸化二窒素 を入れ、ある一定の温度に保ったところ、次の反応が平衡状態に達した。
このとき、容器内の は 、 は であった。この温度における濃度平衡定数 は何 か。有効数字 2 桁で求めよ。
例題の解答
手順 1：生成物は （係数 2）、反応物は （係数 1）である。
手順 2：
手順 3：平衡時のモル濃度は
、
手順 4：（単位は ）
よって である。
答え:
よくある誤り
物質量をそのまま代入してしまう誤り。例題で とするのは誤りで、正しくは体積で割ったモル濃度を使い となる（体積が約分で消えるのは、 の反応のときだけである）。
係数を指数にせず、係数を掛けてしまう誤り。 で とするのは誤りで、正しくは である。
分子と分母を逆にしてしまう誤り。 とするのは誤りで、正しくは右辺の生成物の濃度を分子、左辺の反応物の濃度を分母に置く。
はじめに入れた量を代入してしまう誤り。正しくは、化学平衡の法則に代入するのは平衡時の濃度で、はじめの量しか与えられていないときは、反応式の係数の比から反応した量を求め、平衡時の量（はじめの量 − 反応した量、またははじめの量 ＋ 生成した量）を出してから代入する。
この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。
入口の問題
この技能を使う問題
容積が一定の密閉容器に水素 、ヨウ素 、ヨウ化水素 が入っており、ある一定温度で次の平衡が成り立っている。
このとき、容器内の物質量は が 、 が 、 が であった。温度と容積を一定に保ったまま、この容器に を加えたところ、平衡が移動し、新たな平衡状態での の物質量は になった。加えた の物質量は何 か。有効数字 2 桁で求めよ。ただし、物質はすべて気体として存在し、理想気体とみなせるものとする。容積を変えられる密閉容器に四酸化二窒素 と二酸化窒素 が入っており、ある一定温度で次の平衡が成り立っている。
容器の容積が のとき、平衡状態での物質量は が 、 が であった。温度を一定に保ったまま容器を圧縮して容積を にし、新たな平衡状態にした。このときの の物質量は何 か。有効数字 2 桁で求めよ。ただし、気体はすべて理想気体とみなせるものとする。酢酸 とエタノール を混合し、少量の触媒を加えてある一定温度に保ったところ、次の平衡に達した。
この温度における平衡定数を とするとき、平衡状態で生成している酢酸エチル の物質量は何 か。有効数字 2 桁で求めよ。ただし、はじめに水や酢酸エチルは含まれておらず、反応の進行による混合物の体積変化は無視できるものとする。また、必要ならば を用いよ。容積 の密閉容器に五塩化リン を だけ入れ、温度を に保ったところ、 の一部が三塩化リン と塩素 に解離する次の反応が平衡に達し、容器内の全圧は になった。
におけるこの反応の濃度平衡定数 は何 か。有効数字 2 桁で求めよ。ただし、気体定数を とし、物質はすべて気体として存在し、理想気体とみなせるものとする。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。
この技能の次に学べること
- 平衡定数から平衡時の量を求める （高校化学 化学平衡）
- 弱酸・弱塩基の電離平衡と pH （高校化学 化学平衡）
- 溶解度積と沈殿の生成 （高校化学 化学平衡）
- 逐次生成定数と全生成定数 （大学化学 溶液内の平衡）
- 分配係数と抽出率 （大学化学 溶液内の平衡）
- 可逆一次反応の時間変化 （大学化学 反応速度論）
- 前駆平衡近似 （大学化学 反応速度論）
- 酵素反応の阻害 （大学化学 反応速度論）