温度・触媒と平衡の移動

窒素と水素からアンモニアが生成する反応は、次の式で表される発熱反応である（$(\mathrm{g})$ は気体を表す）。

$${\mathrm{N}}_2(\mathrm{g})+3{\mathrm{H}}_2(\mathrm{g})\rightleftarrows 2\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3(\mathrm{g})\Delta H=-92\mathrm{kJ}$$

密閉容器の中でこの反応が平衡状態にある。容器の体積を一定に保ったまま条件を 1 つだけ変えたときの変化について述べた文として最も適当なものを、次のア〜エから 1 つ選べ。

• ア　温度を上げると、平衡は右に移動する。
• イ　触媒を加えると、平衡は右に移動する。
• ウ　温度を下げると、平衡は右に移動する。
• エ　触媒を加えると、平衡は左に移動する。

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 ）。

密閉容器に固体の炭素（黒鉛）と二酸化炭素を入れて高温に保つと、次の可逆反応が平衡状態に達した。右向きの反応（正反応）は吸熱反応であり、$\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ と $\mathrm{CO}$ は気体である。
$$\mathrm{C}\text{(固)}+\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2\text{(気)}\rightleftarrows 2\mathrm{CO}\text{(気)}$$
この平衡状態から条件を変えたときの平衡の移動についての記述として誤っているものを、次のア〜カのうちから 1 つ選べ。ただし、黒鉛は常に残っているものとし、アルゴンはこの反応に関係しない。

• ア　温度と容器の体積を一定に保って二酸化炭素を加えると、平衡は右に移動する。
• イ　温度と容器の体積を一定に保ってアルゴンを加えると、全圧が大きくなるので、平衡は左に移動する。
• ウ　温度を一定に保って容器の体積を小さくし、圧力を高くすると、平衡は左に移動する。
• エ　圧力を一定に保って温度を高くすると、平衡は右に移動する。
• オ　温度と容器の体積を一定に保って触媒を加えると、平衡に達するまでの時間は短くなるが、平衡は移動しない。
• カ　温度と全圧を一定に保ってアルゴンを加えると、容器の体積が大きくなるので、平衡は右に移動する。

ピストン付きの容器に四酸化二窒素 ${\mathrm{N}}_2{\mathrm{O}}_4$ と二酸化窒素 $\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2$ が入っており、次の平衡状態にある。正反応（右向きの反応）は吸熱反応である。
$${\mathrm{N}}_2{\mathrm{O}}_4\text{(気)}\rightleftarrows 2\mathrm{N}{\mathrm{O}}_2\text{(気)}$$
この平衡に対して次の操作を行ったときの平衡の移動についての記述として正しいものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。ただし、アルゴン $\mathrm{Ar}$ はこの反応に関係せず、気体はすべて理想気体とみなす。

• ア　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と、平衡は右に移動する。
• イ　温度と全圧を一定に保ったまま $\mathrm{Ar}$ を加えると、容器の体積が大きくなるので、平衡は右に移動する。
• ウ　温度と容器の体積を一定に保ったまま $\mathrm{Ar}$ を加えると、全圧が高くなるので、平衡は左に移動する。
• エ　容器の体積を一定に保ったまま温度を上げると、平衡は左に移動する。
• オ　温度と容器の体積を一定に保ったまま触媒を加えると、平衡は右に移動する。

化学工業で用いられている物質の製法について述べた次の文のうち、正しいものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。

• ア　ハーバー・ボッシュ法では、四酸化三鉄を主成分とする触媒を用いて窒素と水素からアンモニアを合成する。この反応は発熱反応であるため、温度を高くするほど平衡状態におけるアンモニアの生成率は大きくなる。
• イ　オストワルト法では、アンモニアを酸化バナジウム(V)を触媒として空気中の酸素と反応させて一酸化窒素とし、これをさらに酸化して得た二酸化窒素を水と反応させて硝酸を得る。
• ウ　アンモニアソーダ法では、アンモニアを十分に吸収させた飽和食塩水に二酸化炭素を通じると、比較的溶解度の小さい炭酸水素ナトリウムが沈殿し、これを熱分解して炭酸ナトリウムを得る。
• エ　接触法では、二酸化硫黄を酸化バナジウム(V)を触媒として酸化して三酸化硫黄とし、この三酸化硫黄を直接水に吸収させて濃硫酸を得る。
• オ　アルミニウムの溶融塩電解では、酸化アルミニウムに氷晶石を加えて融点を下げ、炭素電極を用いて電気分解すると、陽極にアルミニウムが生成する。

工業的にアンモニアを製造するハーバー・ボッシュ法では、次の可逆反応を利用する。物質はすべて気体であり、右向きの反応（正反応）は発熱反応である。
$${\mathrm{N}}_2+3{\mathrm{H}}_2\rightleftarrows 2\mathrm{N}{\mathrm{H}}_3$$
ハーバー・ボッシュ法の反応条件と、平衡・反応速度の関係についての記述として正しいものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。

• ア　平衡だけを考えると低温ほどアンモニアの割合が大きくなるので、工業的には室温付近のできるだけ低い温度で反応させている。
• イ　四酸化三鉄を主成分とする触媒を用いると、平衡に達するまでの時間が短くなり、平衡に達したときのアンモニアの割合も大きくなる。
• ウ　温度を一定に保って圧力を高くすると、気体分子の総数が減少する向きに平衡が移動するので、平衡に達したときのアンモニアの割合が大きくなる。
• エ　圧力を一定に保って温度を高くすると、反応速度が大きくなり、平衡に達したときのアンモニアの割合も大きくなる。
• オ　反応後の混合気体を冷却して、生じたアンモニアを液体として取り除くと、平衡は左向きに移動する。