化学化学平衡物質の状態・構成・変化理科

5分で分かる「質量作用の法則」受験でよく出る式を計算して理解を深めよう!京大卒の研究者が丁寧に解説!

よぉ、桜木健二だ。化学において重要な用語の一つに「化学平衡」という言葉がある。これは「AからB」という化学反応と「BからA」という逆反応が同じ速度で起こっている状態で、このときに成り立つ法則が「質量作用の法則」だ。
質量作用の法則は高校化学の受験やテスト問題でよく出てくる項目だ。そこで今回は例題を解きながら質量作用の法則、化学平衡について詳しく学んでいこう。化学に詳しいライター珈琲マニアと一緒に解説していくぞ。

解説/桜木建二

「ドラゴン桜」主人公の桜木建二。物語内では落ちこぼれ高校・龍山高校を進学校に立て直した手腕を持つ。学生から社会人まで幅広く、学びのナビゲート役を務める。

ライター/珈琲マニア

京都大学で化学を学んだ後、メーカーで研究職として勤務。大学時代の専門である物理化学を中心に、化学全般の知識が豊富なライター。

1.質量作用の法則と濃度の関係

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原子や分子が反応することで別の物質を生み出す化学反応、これは化学の中心にあるとも言える現象です。ただしすべての化学反応が完全に進行するわけではありません。途中で反応が停止しているように見える化学反応も多数あります。このように反応が止まっているように見える状態を「化学平衡」と呼び、このときに成り立つのが「質量作用の法則」です。

化学平衡、ならびに質量作用の法則は物質の濃度や物質量(モル)を用いた式で表されます。この式は受験でよく使うものであり、理系の方々は予備校の講習などで学んだかもしれませんね。この章では質量作用の法則について学んだ後、実際に式を使って濃度などの計算をしてみましょう。

1-1.質量作用の法則とは

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一般的な化学反応として「反応物AとBが生成物CとDに変化する」というものを考え、化学反応式におけるそれぞれの係数をa,b,c,dとします。この反応でAとBがすべてCとDに変換されるのではなく、反応物が一定量消費されたところで見かけの反応が停止、すなわち「平衡状態」に達したとしましょう。このとき、以下の式が成り立ちます。

つまり平衡状態においてはA,B,C,Dの濃度がどんな値だとしてもKが一定になるわけです。この式のことを「質量作用の法則」と呼び、Kを「平衡定数」と呼びます。なお、Kが一定になるのは温度や圧力が一定のときであることに注意してください。

1-2.物質濃度を用いた平衡定数計算法

質量作用の法則は平衡状態における濃度を計算する上で非常に重要です。以下では実際に質量作用の法則を用いて物質の濃度や平衡定数を計算してみましょう。

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