化学平衡の移動（かがくへいこうのいどう）ルシャトリエの原理を、Q と K の比較で数値まで確かめる

1まず予想しよう：平衡はどちらへ、どこまで動く？

シミュレーターを動かす前に、直感で選んでください。正解は、操作したあとに開いて確かめます。

3観察のポイント：どちらへ動き、どこで止まる？

どの項目にも「この状態にする」ボタンがあります。押すと、その項目に書いた操作を、書いた順にはじめから行った状態になります。

1. やってみる N₂O₄ ⇄ 2NO₂ で、N₂O₄ 1.00 mol だけを 4.0 L の容器に入れて始める（左辺だけ）。

   見るところ Q が 0 から増えて K = 0.5 mol/L に届くと、濃度の変化が止まります。平衡の濃度は [N₂O₄] = 0.125 mol/L、[NO₂] = 0.250 mol/L で、等しくはありません。下の速さのグラフでは 2 本の線が重なります。反応が止まったのではなく、正反応と逆反応の速さが等しくなったのです。粒は入れ替わり続けます。

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2. やってみる 今度は NO₂ 2.00 mol だけを同じ容器に入れて始める（右辺だけ）。

   見るところ 逆向きに進みますが、着く先は [N₂O₄] = 0.125 mol/L、[NO₂] = 0.250 mol/L で同じです。どちらから始めても同じ平衡に着きます。

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3. やってみる 項目 1 の平衡（0.125 mol/L、0.250 mol/L）から、NO₂ を 0.500 mol 加える。

   見るところ [NO₂] は 0.250 → 0.375 mol/L に上がり、Q ≈ 1.13 で Q > K です。左へ動いて、[NO₂] ≈ 0.290 mol/L、[N₂O₄] ≈ 0.168 mol/L になります。増えた分の約 68 % を打ち消しますが、0.250 mol/L には戻りません。一方、K は 0.5 mol/L のままです。濃度を変えても K は変わりません。

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4. やってみる 項目 1 の平衡から、体積を 4.0 L → 2.0 L にする。

   見るところ 直後はどの濃度も 2 倍で、Q は 0.500 → 1.00 です。Q > K なので、分子の数が少ない左へ動きます。[NO₂] は 0.250 → 0.500 → ≈ 0.390 mol/L、[N₂O₄] は 0.125 → 0.250 → ≈ 0.305 mol/L です。全圧に比例する濃度の和は 0.375 → 0.750 → ≈ 0.695 mol/L で、上がった分の約 15 % しか打ち消せません。

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5. やってみる そのまま、体積を 2.0 L → 4.0 L に戻す。

   見るところ 直後の Q は 0.25 で Q < K です。右へ動いて、項目 1 と同じ [N₂O₄] = 0.125 mol/L、[NO₂] = 0.250 mol/L に戻ります。同じ物質の量、同じ体積、同じ温度なら、途中の道すじによらず同じ平衡です。

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6. やってみる そのまま、温度を 1 段階上げる。

   見るところ K が 0.5 → 1 mol/L に変わります。体積は一定なので、直後の濃度も Q（= 0.500）も変わらず、Q < K になります。右（吸熱の向き）へ動いて、[N₂O₄] ≈ 0.0955 mol/L、[NO₂] ≈ 0.309 mol/L になります。K の値を変えるのは温度だけです。

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7. やってみる 基準の温度に戻して、触媒ありで N₂O₄ 1.00 mol だけから始める。

   見るところ 太い線は、細い点線（触媒なし）より早く平らになります。変化の 99 % が済むまでの時間は、説明用の目盛りで ≈ 1.67 から ≈ 0.334 に短くなります。着く先は [N₂O₄] = 0.125 mol/L、[NO₂] = 0.250 mol/L で変わりません。平衡に着いたあとで触媒を入れても、何も動きません。

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8. やってみる H₂ + I₂ ⇄ 2HI に切り替え、平衡（[H₂] = [I₂] = 0.250 mol/L、[HI] = 1.50 mol/L、1.0 L）から体積を 0.5 L にする。

   見るところ 濃度はどれも 2 倍の 0.500 mol/L、3.00 mol/L になりますが、Q は 36 のままで、K = 36 と等しいままです。平衡は動きません。「圧力を変えたのに動かない」のは、分子の数が両辺で同じだからです。全圧は 2 倍のままで、やわらげられません。

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9. やってみる N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ に切り替え、平衡（2.0 L）から体積を 1.0 L にする。

   見るところ Q は 2.00 → 0.500 と 1/4 倍になり、Q < K です。分子の数が少ない右へ動き、[NH₃] は ≈ 0.486 → ≈ 0.972 → ≈ 1.19 mol/L です。N₂O₄ のときと同じ操作なのに、動く向きが逆です。

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10. やってみる N₂O₄ ⇄ 2NO₂ の項目 1 の平衡に、体積一定で貴ガスを 1.50 mol 加える。

    見るところ 濃度の和は 0.375 → 0.750 mol/L と 2 倍になり、全圧も 2 倍です。それでも [N₂O₄] = 0.125 mol/L、[NO₂] = 0.250 mol/L は変わらず、Q = K のままで、平衡は動きません。全圧が上がっても動かない例です。

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11. やってみる 項目 1 の平衡に戻して、全圧一定で貴ガスを 1.50 mol 加える。

    見るところ 体積が 4.0 L → 8.0 L に増え、濃度はどれも半分の 0.0625 mol/L、0.125 mol/L になります。Q = 0.250 で Q < K なので右へ動き、[N₂O₄] = 0.0450 mol/L、[NO₂] = 0.150 mol/L になります。分子が増えるので、体積はさらに増えて ≈ 8.33 L です。

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12. やってみる H₂ + I₂ ⇄ 2HI の平衡（1.0 L）に、全圧一定で貴ガスを 2.00 mol 加える。

    見るところ 体積が 2.0 L になり、濃度はどれも半分ですが、Q は 36 のままで動きません。全圧一定で貴ガスを加えたときに動くのは、両辺で分子の数が違う反応だけです。

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4式を書こう：平衡定数 K と、Q で向きを決める方法

可逆反応と化学平衡

どちらの向きにも進む反応を可逆反応といい、⇄ で書きます。正反応の速さと逆反応の速さが等しくなり、見かけの変化がなくなった状態が化学平衡です。反応は止まっていません。また、平衡で濃度が等しくなるわけでもありません。

濃度平衡定数 K の式と単位

aA + bB ⇄ cC + dD が平衡のとき、温度が一定なら次の値は一定です。これを濃度平衡定数 K といいます。

右辺が分子、左辺が分母で、係数が指数になります。K の単位は反応によって変わります。濃度の単位を式に入れて計算すると分かります。

逆向きに書いた反応（2NO₂ ⇄ N₂O₄）の K は、もとの K の逆数になり、単位も逆になります（L/mol）。

Q と K を比べると、向きが決まる

K の式に、平衡とは限らない「いまの濃度」を入れた値を、このページでは Q と書きます。

どちらへ動いても、Q が K と等しくなったところで移動が止まります。ただし、もとの濃度に戻るわけではありません。たとえば、体積が半分のまま濃度がもとに戻ると、物質量が半分になり、物質の量が合いません。だから K を満たす別の濃度の組になります。

体積を変えると Q は何倍になるか

体積を 1/2 にすると、どの濃度も 2 倍です。Q の式の分子と分母の指数の差（右辺の係数の和 − 左辺の係数の和）を m とすると、Q は 2^m 倍になります。これが「分子の数に注目する」理由です。

ルシャトリエの原理（平衡移動の原理）

平衡にある反応の条件を変えると、その変化をやわらげる向きに平衡が移動します。これをルシャトリエの原理といいます。やわらげるだけで、打ち消し切るわけではありません。向きの目安として使い、数値が必要なら K の式で計算します。

K と温度

右向きが吸熱の反応は、温度を上げると K が大きくなります。右向きが発熱の反応は、温度を上げると K が小さくなります。シミュレーターの K は、次の説明用の値です。

平衡の濃度を計算する：変化量の表を書く

手順は、物質量の表を書く → 体積で割って濃度にする → K の式に入れるです。変化量は係数の比になります。

例 1　H₂ + I₂ ⇄ 2HI（K = 36）

H₂ 1.00 mol と I₂ 1.00 mol を 1.0 L の容器に入れます。H₂ が x [mol] 反応したとします。

0 < x < 1.00 なので、両辺の正の平方根をとると 2x / (1.00 − x) = 6 で、x = 0.750 です。[H₂] = [I₂] = 0.250 mol/L、[HI] = 1.50 mol/L になります。

この例を動かす

例 2　N₂O₄ ⇄ 2NO₂ を圧縮する（K = 0.5 mol/L）

平衡の N₂O₄ 0.500 mol、NO₂ 1.00 mol の体積を、4.0 L から 2.0 L にします。Q = 1.00 > K なので左へ動きます。N₂O₄ が y [mol] 増えるとすると、NO₂ は 2y [mol] 減ります。

整理すると (1.00 − 2y)² = 0.500 + y、つまり 4y² − 5y + 0.5 = 0 です。0 < y < 0.5 の解は y = (5 − √17)/8 ≈ 0.110 です。

N₂O₄ ≈ 0.610 mol、NO₂ ≈ 0.781 mol で、[N₂O₄] ≈ 0.305 mol/L、[NO₂] ≈ 0.390 mol/L になります。

この例を動かす

NO₂ の色：加圧すると、濃くなるのか薄くなるのか

NO₂ は赤褐色で、N₂O₄ はほぼ無色です。そのため、筒に入れて押すと色の変化が見えます。「加圧すると左へ動くから薄くなる」とだけ覚えると、順番を間違えます。観察の項目 4 の数値で確かめます。

1. 押した直後：濃くなる。体積が半分になるので、NO₂ の濃度は 2 倍になります。
2. そのあと：少し薄くなる。左へ動いて NO₂ が減ります。「薄くなる」のはこの部分です。
3. 新しい平衡：押す前よりは濃い。NO₂ の濃度は押す前の ≈ 1.56 倍です。

見比べるときの注意　色の濃さは、濃度だけでなく、光が通る長さでも変わります。筒を横から見れば、光が通る長さはほぼ変わらないので、濃度の変化が色に出ます。上の色の見本は濃度を色の濃さにしたもので、実際の色そのものではありません。

貴ガスを加えるとき：体積一定と全圧一定は結果が違う

貴ガスは反応しないので、K の式に入りません。見るべきなのは全圧ではなく、反応する気体の濃度が変わるかどうかです。N₂O₄ ⇄ 2NO₂ の平衡（N₂O₄ 0.500 mol、NO₂ 1.00 mol、4.0 L）に、貴ガスを 1.50 mol 加えます。

全圧一定の計算では、反応が進むと気体全部の物質量が変わるので、体積も変わります。N₂O₄ が x [mol] 減るとすると、気体全部は 3.00 + x [mol] です。はじめの 1.50 mol で 4.0 L だったので、全部の濃度の和は 0.375 mol/L で一定です。だから体積は (3.00 + x) / 0.375 [L] です。K の式に入れて整理します。

整理すると 16x² + 22x − 3 = 0 で、正の解は x = 0.125 です。N₂O₄ は 0.375 mol、NO₂ は 1.25 mol、体積は ≈ 8.33 L で、上の表の濃度になります。

体積一定を動かす 全圧一定を動かす

向きの判断の練習：右？ 左？ 動かない？

操作を読んで、平衡が動く向きを選びましょう。どの問題も、基準の温度の平衡から始めます。判定はシミュレーターと同じ計算です。

次の問題

5確認問題

どの問題でも、物質はすべて気体で、A、B、C、X、Y は架空の物質です。K の値は説明用の値です。解説の数値は、問題の数値に合わせた桁で書きます。解説を開く前に、紙に式を書いてみてください。

違いと用語の整理

よくある質問と、間違いの例

Q. 平衡状態では反応が止まっているのですか？

止まっていません。正反応と逆反応が同じ速さで続いているので、濃度が変わらないように見えます。シミュレーターの粒が入れ替わり続けるのが、その様子の模式図です。

Q. 平衡のとき、物質の濃度は等しくなりますか？

等しくなるとは限りません。等しくなるのは速さです。観察の項目 1 では、[N₂O₄] = 0.125 mol/L、[NO₂] = 0.250 mol/L です。

Q. 濃度や圧力を変えると、平衡定数 K は変わりますか？

変わりません。Q が変わって K とずれるので、平衡が動きます。K を変えるのは温度だけです。

Q. ルシャトリエの原理で、変化は全部打ち消されますか？

打ち消されません。やわらげるだけです。観察の項目 4 では、全圧に比例する濃度の和は 2 倍になろうとして、≈ 1.85 倍で止まります。

Q. H₂ + I₂ ⇄ 2HI は、圧力を変えても動かないのはなぜですか？

左辺も右辺も分子が 2 個なので、体積を変えても Q が変わらないからです。ただし、濃度はどれも変わります。「動かない」と「濃度が変わらない」は別のことです。

Q. 触媒を加えると、平衡はどうなりますか？

動きません。正反応と逆反応の両方が同じ倍率で速くなるので、K はそのままで、平衡に達するまでの時間だけが短くなります。

Q. 温度を上げると、平衡が動くだけでなく K も変わるのはなぜですか？

温度が変わると、正反応と逆反応の速さの増え方が違うからです。吸熱の向きのほうが大きく速くなるので、その向きに有利な K になります。

Q. 温度を上げると、発熱の向きの反応は遅くなりますか？

遅くなりません。どちらの向きの反応も速くなります。吸熱の向きのほうが大きく速くなるので、平衡は吸熱の向きへ動きます。

Q. 体積一定で貴ガスを加えると平衡は動きますか？

動きません。全圧は上がりますが、反応する気体の濃度が変わらないからです。全圧一定で加えると体積が増えて濃度が下がるので、両辺で分子の数が違う反応なら、分子の数が多い側へ動きます。

Q. アンモニアを多く作るには、どの条件がよいですか？

N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ は右向きが発熱で、分子の数が減る反応です。平衡だけを考えると、低温・高圧が有利です。ただ、低温では反応が遅いので、実際の工業では触媒を使い、ある程度高い温度で速さと両立させます。

間違いの例

• 物質量をそのまま K に入れる（問2）：X 0.30 mol、Y 1.0 mol をそのまま入れると 1.0²/0.30 ≈ 3.3 になります。必ず体積で割って濃度にします。
• 係数を指数にしない（問2）：[Y] を 2 乗せずに 0.20/0.060 とすると、値も単位も変わります。
• 変化量を係数の比にしない（問2）：X が 0.50 mol 減ったのに、Y も 0.50 mol 増えるとするのは誤りです。Y は 1.0 mol 増えます。
• 「元に戻る」と考える（問5）：新しい平衡の [Y] を 0.24 mol/L とするのは誤りです。[Y] ≈ 0.39 mol/L で止まります。
• 全圧だけを見る（問7）：体積一定で貴ガスを加えると全圧は上がりますが、動きません。反応する気体の濃度を見ます。
• K の変化の向きを逆にする（問6）：「発熱反応は温度を上げると K が大きい」は逆です。発熱反応は温度を上げると K が小さくなります。