可逆反応と化学平衡の状態

可逆反応で、時間とともに正反応と逆反応の速さがどう変わるかを説明し、平衡状態では両者の速さが等しく 0 ではない（見かけ上反応が止まっている）ことを選択肢から判定できる

前提

反応速度の表し方（高校化学反応速度（知識））

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反応速度の表し方（高校化学反応速度（知識））

説明

$H_{2} + I_{2} ⇄ 2HI$ のように、右向き（正反応）にも左向き（逆反応）にも進む反応を可逆反応といいます。この技能では、密閉容器の中で可逆反応を始めたとき、正反応と逆反応の速さが時間とともにどう変わり、最後にどんな状態（化学平衡の状態）に落ち着くかを理解します。そのうえで、「平衡状態では反応が止まっている」「平衡状態では各物質の濃度が等しい」といった記述の正誤を、選択肢から判定できるようになります。

なぜそうしてよいのか

反応の速さは、反応する物質の濃度が大きいほど大きくなります（ぶつかり合う粒子が多いほど、反応が起こる回数が増えるからです）。密閉容器に $H_{2}$ と $I_{2}$ だけを入れて一定温度に保つと、はじめは $HI$ がないので逆反応 $2HI \to H_{2} + I_{2}$ の速さは 0 で、正反応 $H_{2} + I_{2} \to 2HI$ だけが進みます。時間がたつと $H_{2}$ と $I_{2}$ が減るので正反応の速さはしだいに小さくなり、反対に $HI$ が増えるので逆反応の速さはしだいに大きくなります。

一方が小さくなり他方が大きくなるので、やがて両者の速さが等しくなります。このとき、正反応で $HI$ ができる速さと、逆反応で $HI$ が分解する速さがちょうどつり合うので、 $HI$ の量は増えも減りもしません。 $H_{2}$ 、 $I_{2}$ についても同様です。この状態を化学平衡の状態（平衡状態）といいます。

大切なのは、平衡状態でも反応そのものは止まっていないことです。粒子どうしは衝突し続けていて、正反応も逆反応も 0 でない同じ速さで起こり続けています。ただ打ち消し合っているので、外から見ると各物質の濃度が一定で、反応が止まっているように見えるだけです。また、つり合っているのは「速さ」であって、各物質の濃度が等しくなるわけではありません（平衡時の濃度は、反応の種類や温度、はじめに入れた量で決まります）。

手順

反応式を見て、正反応（右向き）と逆反応（左向き）がそれぞれ何から何ができる反応かを確認する
反応の開始直後を考える。はじめに入れた物質を反応物とする向きの反応だけが進み、もう一方の向きの速さは 0 から始まる
時間がたつと、減っていく物質が反応物になる向きの速さは小さくなり、増えていく物質が反応物になる向きの速さは大きくなることを押さえる
平衡状態の特徴「正反応の速さ = 逆反応の速さ $\neq = 0$ 」「各物質の濃度（物質量）は一定」「各物質の濃度どうしが等しいとは限らない」に照らして、選択肢を 1 つずつ判定する

例題

密閉容器に水素 $H_{2}$ とヨウ素 $I_{2}$ を入れて温度を一定に保ったところ、次の可逆反応が起こり、やがて平衡状態に達した。
$H_{2} + I_{2} ⇄ 2HI$
この反応についての記述として正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。

ア　平衡状態では、正反応も逆反応も起こらなくなっている。
イ　平衡状態では、 $H_{2}$ 、 $I_{2}$ 、 $HI$ のモル濃度はすべて等しくなっている。
ウ　反応開始後、正反応の速さはしだいに小さくなり、逆反応の速さはしだいに大きくなって、やがて両者が等しくなる。
エ　平衡状態に達した後も、 $HI$ の物質量は時間とともに増え続ける。

例題の解答

手順1: 正反応は $H_{2} + I_{2} \to 2HI$ 、逆反応は $2HI \to H_{2} + I_{2}$ である。

手順2: はじめは $H_{2}$ と $I_{2}$ しかないので、正反応だけが進み、逆反応の速さは 0 から始まる。

手順3: 時間とともに $H_{2}$ 、 $I_{2}$ が減るので正反応の速さは小さくなり、 $HI$ が増えるので逆反応の速さは大きくなる。やがて両者の速さが等しくなり平衡状態になる。

手順4: 選択肢を判定する。
- ア: 平衡状態でも正反応・逆反応は 0 でない等しい速さで起こり続けている。見かけ上止まっているだけなので誤り。
- イ: 平衡状態で一定になるのは各物質の濃度であり、互いに等しくなるわけではないので誤り。
- ウ: 手順2・3 の内容そのものなので正しい。
- エ: 平衡状態では $HI$ の生成と分解の速さがつり合っているので、 $HI$ の物質量は一定になる。誤り。

よって正しいものはウ。

答え:

ウ

よくある誤り

平衡状態では反応が止まっている（正反応・逆反応の速さがともに 0）としてしまう誤り。正しくは、正反応の速さ $v_{1}$ と逆反応の速さ $v_{2}$ が $v_{1} = v_{2} \neq = 0$ で、両方の反応が起こり続けているが打ち消し合って、見かけ上止まっているように見える
平衡状態では各物質の濃度が等しくなる（ $[H_{2}] = [I_{2}] = [HI]$ ）としてしまう誤り。正しくは、等しくなるのは正反応と逆反応の「速さ」で、各物質の濃度は「一定」になるだけで互いに等しいとは限らない
反応開始直後から正反応と逆反応が同じ速さで進む、または正反応の速さが一定のまま進むとしてしまう誤り。正しくは、 $H_{2}$ と $I_{2}$ だけから始めると逆反応の速さは 0 から始まって大きくなり、正反応の速さは反応物が減るにつれて小さくなる
「速さが等しい」を、反応式中のどの物質の変化量も同じという意味に取ってしまう誤り。 $H_{2} + I_{2} ⇄ 2HI$ の平衡状態では、正反応で $HI$ が生じる速さと逆反応で $HI$ が分解する速さが等しい（ $H_{2}$ についても、消費される速さと生じる速さが等しい）。一方、正反応だけを見れば $HI$ の生成速度は $H_{2}$ の減少速度の 2 倍であり、物質ごとの量の変化の速さが同じになるわけではない

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

難易度 1（教科書の例題レベル）
密閉容器に水素 $H_{2}$ とヨウ素 $I_{2}$ を入れて一定温度に保つと、次の反応が起こる。
$H_{2} + I_{2} ⇄ 2 HI$
この反応では、はじめは右向きの反応（正反応）の速さが大きく、左向きの反応（逆反応）の速さは小さい。時間がたつと正反応の速さはしだいに小さくなり、逆反応の速さはしだいに大きくなって、やがて両者の速さが等しくなる。このとき、正反応も逆反応も起こり続けているが、 $H_{2}$ 、 $I_{2}$ 、 $HI$ の濃度はそれ以上変化しなくなり、見かけ上は反応が止まったように見える。
このように、可逆反応において正反応と逆反応の速さが等しくなり、各物質の濃度が一定に保たれている状態を何というか。

この技能を使う問題

	a	b
ア	大きく	どちらも起こり続けている
イ	大きく	どちらも止まっている
ウ	小さく	どちらも起こり続けている
エ	小さく	どちらも止まっている

難易度 3（共通テストレベル）

酢酸とエタノールから酢酸エチルと水が生じる反応は、次の式で表される可逆反応である。ここでは右向きの反応を正反応、左向きの反応を逆反応とよぶ。
$C H_{3} COOH + C_{2} H_{5} OH ⇄ C H_{3} COO C_{2} H_{5} + H_{2} O$
容器に酢酸エチルと水だけを入れ、少量の触媒を加えて温度を一定に保ったところ、反応が進み、やがて平衡状態に達した。この間の反応の速さ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最も適当なものを、下のア〜オのうちから 1 つ選べ。

反応を始めた直後は逆反応だけが起こる。時間がたつにつれて、逆反応の速さは（ a ）。平衡状態に達したあとは、正反応の速さと逆反応の速さは（ b ）。

	a	b
ア	しだいに大きくなる	等しく、どちらも $0$ ではない
イ	しだいに大きくなる	どちらも $0$ になる
ウ	しだいに小さくなる	等しく、どちらも $0$ ではない
エ	しだいに小さくなる	どちらも $0$ になる
オ	しだいに小さくなる	正反応の速さのほうが大きい状態で一定になる

この技能の次に学べること

平衡定数の意味と変化する条件（高校化学化学平衡（知識））