平衡定数の意味と変化する条件

可逆反応 $a\mathrm{A}+b\mathrm{B}\rightleftarrows c\mathrm{C}+d\mathrm{D}$ が平衡状態にあるとき、各物質のモル濃度の間には次の関係が成り立つ。

$$K=\frac{[\mathrm{C}{]}^c[\mathrm{D}{]}^d}{[\mathrm{A}{]}^a[\mathrm{B}{]}^b}$$

この $K$ を平衡定数という。平衡定数 $K$ の値は、反応の種類が同じであれば（ a ）だけによって決まり、平衡状態にある混合物に反応物 $\mathrm{A}$ を加えて濃度を大きくしても、$K$ の値は（ b ）。

文中の空欄 a・b に入る語句の組み合わせとして最も適当なものを、次のア〜エから 1 つ選べ。

密閉容器内で、窒素 ${\mathrm{N}}_2$・水素 ${\mathrm{H}}_2$・アンモニア $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$ が次の平衡状態にある。
$${\mathrm{N}}_2+3{\mathrm{H}}_2\rightleftarrows 2N{\mathrm{H}}_3$$
この反応の平衡定数（濃度平衡定数）を
$$K=\frac{[\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3{]}^2}{[{\mathrm{N}}_2][{\mathrm{H}}_2{]}^3}$$
とする。この平衡状態から、次のア〜オの操作をそれぞれ行い、新しい平衡状態になったとする。新しい平衡状態での $K$ の値が、操作の前と比べて変化するものを、次のア〜オからすべて選べ。ただし、ア・オ以外の操作では温度を一定に保つものとする。

• ア　温度を上げる。
• イ　温度を一定に保ったまま、容器の体積を小さくして全圧を高くする。
• ウ　触媒を加える。
• エ　体積を一定に保ったまま、${\mathrm{N}}_2$ を加える。
• オ　温度を下げる。

二酸化硫黄と酸素から三酸化硫黄が生じる次の可逆反応は、右向きが発熱反応である。物質はすべて気体である。

$$2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2+{\mathrm{O}}_2\rightleftarrows 2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3$$

この反応が平衡状態にあるとき、モル濃度で表した平衡定数 $K$ は
$$K=\frac{[\mathrm{S}{\mathrm{O}}_3{]}^2}{[\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2{]}^2[{\mathrm{O}}_2]}$$
で表される。同じ反応について、濃度・全体の圧力・温度のうち、平衡定数の値を変化させる条件は（ a ）だけであり、それ以外の条件を変えて平衡が移動しても、新しい平衡状態での $K$ の値はもとと変わらない。この反応で、ほかの条件は変えずに（ a ）だけを上げると、新しい平衡状態での平衡定数の値は（ b ）。ただし、触媒は用いないものとする。

文中の空欄（ a ）・（ b ）に入る語句の組み合わせとして最も適当なものを、次のア〜オから 1 つ選べ。

一酸化炭素と水素からメタノールが生じる次の可逆反応は、右向き（正反応）が発熱反応である。物質はすべて気体であり、密閉容器の中で平衡状態にあるとする。
$$\mathrm{CO}+2{\mathrm{H}}_2\rightleftarrows \mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{OH}$$
この反応の平衡定数（濃度平衡定数）$K$ について述べた次の文中の空欄 a・b に入る語句の組み合わせとして正しいものを、下のア〜オのうちから 1 つ選べ。

温度を一定に保ったまま容器の体積を小さくして全体の圧力を高くすると、平衡は右に移動するが、$K$ の値は（ a ）。一方、圧力を一定に保ったまま温度を高くすると、$K$ の値は（ b ）。

触媒に関する記述として誤っているものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。

• ア　可逆反応に触媒を加えると、正反応の活性化エネルギーも逆反応の活性化エネルギーも小さくなる。
• イ　触媒を加えて反応の経路が変わっても、反応エンタルピー（反応熱）の値は変わらない。
• ウ　可逆反応に触媒を加えると、平衡に達するまでの時間は短くなるが、平衡定数の値は変わらない。
• エ　過酸化水素水に塩化鉄(III)水溶液を加えて過酸化水素を分解させるとき、塩化鉄(III)は不均一触媒としてはたらく。
• オ　酵素はタンパク質を主成分とする触媒で、温度が高くなりすぎると変性してはたらきを失う。

触媒に関する記述として誤っているものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。

• ア　酵素はタンパク質を主成分とする触媒で、それぞれ特定の物質（基質）にだけはたらく。
• イ　触媒を加えると、正反応の活性化エネルギーも逆反応の活性化エネルギーも小さくなる。
• ウ　可逆反応に触媒を加えると、平衡に達するまでの時間が短くなり、平衡状態での生成物の量も増える。
• エ　過酸化水素水に酸化マンガン(IV)を加えて酸素を発生させるとき、酸化マンガン(IV)は不均一触媒としてはたらいている。
• オ　触媒を加えても、反応物と生成物のエンタルピーは変わらないので、反応エンタルピーは変わらない。

酢酸は水溶液中で一部が電離し、次の電離平衡が成り立つ。

$$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{COOH}\rightleftarrows \mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{CO}{\mathrm{O}}^{-}+{\mathrm{H}}^{+}$$

温度を $25{}^{\circ }\mathrm{C}$ に保ったまま、$0.10mol/L$ の酢酸水溶液に次の操作を行ったときの変化について述べた文として正しいものを、次のア〜オからすべて選べ。ただし、酢酸ナトリウムは水溶液中で完全に電離するものとする。

• ア　水を加えて薄めると、酢酸の電離定数 $K_{\mathrm{a}}$ は大きくなる。
• イ　水を加えて薄めると、酢酸の電離度は大きくなる。
• ウ　水を加えて薄めると、水溶液の水素イオン濃度 $[{\mathrm{H}}^{+}]$ は大きくなる。
• エ　酢酸ナトリウムの固体を溶かすと、酢酸の電離平衡は右向き（電離する向き）に移動する。
• オ　酢酸ナトリウムの固体を溶かすと、酢酸の電離度は小さくなる。

次の文中の空欄 a・b に入る語句の組み合わせとして正しいものを、下のア〜エのうちから 1 つ選べ。

窒素と水素からアンモニアを合成する可逆反応
$${\mathrm{N}}_2+3{\mathrm{H}}_2\rightleftarrows 2\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$$
を工業的に行うハーバー・ボッシュ法では、四酸化三鉄 $\mathrm{F}{\mathrm{e}}_3{\mathrm{O}}_4$ を主成分とする固体の触媒が用いられる。この触媒は気体の反応物とは異なる状態で存在し、その表面で反応が進む。このように、反応物と均一に混じり合わずにはたらく触媒を（　a　）という。

また、温度と圧力を一定に保って、この触媒を用いた場合と用いない場合を比べると、触媒を用いた場合のほうが平衡状態に達するまでの時間は短くなるが、平衡状態での $\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$ の物質量は（　b　）。

1 価の弱酸 $\mathrm{HA}$ の水溶液では、次の電離平衡が成り立っている。
$$\mathrm{HA}\rightleftarrows {\mathrm{H}}^{+}+{\mathrm{A}}^{-}$$
温度は常に一定に保つものとし、$\mathrm{HA}$ の電離度は $1$ に比べて十分に小さいとする。また、$\mathrm{HA}$ のナトリウム塩 $\mathrm{NaA}$ は水中で完全に電離するものとする。この $\mathrm{HA}$ の水溶液についての記述として正しいものを、次のア〜カからすべて選べ。

• ア　水を加えて $\mathrm{HA}$ の濃度を小さくすると、$\mathrm{HA}$ の電離度は大きくなる。
• イ　水を加えて $\mathrm{HA}$ の濃度を $\frac{1}{4}$ 倍にすると、$\mathrm{HA}$ の電離度はおよそ $2$ 倍になる。
• ウ　水を加えて $\mathrm{HA}$ の濃度を小さくすると、$\mathrm{HA}$ の電離定数は大きくなる。
• エ　水を加えて $\mathrm{HA}$ の濃度を小さくすると、水溶液中の水素イオン濃度 $[{\mathrm{H}}^{+}]$ は大きくなる。
• オ　この水溶液に $\mathrm{NaA}$ を溶かすと、$\mathrm{HA}$ の電離度は小さくなる。
• カ　この水溶液に少量の塩酸を加えると、電離平衡が右に移動し、$\mathrm{HA}$ の電離度は大きくなる。