化学平衡について質問します化学平衡の状態というのは反応物の生成速度v1と分解速度v2が等しくなった

Question

化学平衡について質問します

化学平衡の状態というのは反応物の生成速度v1と分解速度v2が等しくなったときだということですが、

どうして、v1とv2の式の反応次数は反応式の係数によらないのに、化学平衡の法則の式における反応次数は反応式の係数に等しくなるのでしょうか？

よろしくお願いします

psa29 · Accepted Answer

補足拝見しました。
平衡定数Kの各成分濃度[A][B][C]の乗数は、化学反応式の係数になります。
このときに反応速度式が化学反応式の係数とたまたま同じであれば、
反応速度定数k1とk2を用いた時にK＝k1/k2となりますね。
（値が等しくなるということだけで、本質的にはKとk1/k2は別物です。
　のちに少し触れます。）

質問者さんの疑問は、速度式の次数が化学反応式の係数と等しくない場合、
当然そのような反応も世の中には存在するわけですが、
K＝k1/k2が成立しないのではないか？
Kとk１/k2がイコールにならない。これでいいのか？という疑問ですよね。
はい、イコールになりませんね。元々、平衡定数Kと速度定数の比とは別物です。

No.4にも書きましたが、教科書では、たまたま係数が同じになる反応で説明していますが
質問者さんが考えられているように、全ての反応が速度式の乗数と化学反応式の係数が
同じになるとは限りません。
異なる場合、K＝k1/k2は成立しません。
でも、反応式の乗数がどうであれ、質量作用の法則は成立します。
つまり、A+B = Cという反応ならば、K＝[C]/[A][B]は　速度式の乗数に関係なく成立し
Kは温度一定ならば一定値を示します。

元々、平衡定数Kは速度比ではないのです。
それを速度比のように説明するから、質問者さんのような疑問になってしまいます。
平衡定数Kの単位はご存知ですか？
乗数がどうであれ、無次元ですよね。

反応速度定数kの単位はどうなりますか？
反応が1次反応なのか、2次反応なのかでkの単位は変わりますよね。
A+B = Cという反応ならば、K＝[C]/[A][B]となり　平衡定数Kの単位は無次元です。

しかしながら、速度比 k1/k2の単位は、1次反応と2次反応の比なので無次元にはなりません。
つまり、速度定数の比と平衡定数とは違うものだと理解できると思います。

たまたま数式で絶対値が同じになっても、内容は違うのです。

質問者さんの補足では、K＝k1/k2が成立しないことになりますが、
成立しないのです。

反応速度式の乗数が化学反応式の係数と一致しない反応においても
化学平衡が成立しているのならば、平衡時には右向きの反応速度と
左向きの反応速度は等しくなって、見かけ上、反応は停止しているように
見えるでしょう。

この時、k1/k2の値は、ある数値を示しているでしょうね。
実験によって、反応次数を調べて、測定すれば求まると思います。
その値は、平衡定数Kの値とは違う数値になるでしょうね。
平衡時に、確かに右向きの反応と左向きの反応とは速度が同じになっている。
この時k1/k2はある値を示している。
一方、Kもある値を示している。でもそれは異なった数値になっている。一致していない。
ということだと思います。

質問者さんが補足に添付した資料において、質量作用の法則の説明でk1/k2は一定値になる
と説明していますが、k1/k2＝Kとは言っていないですよね。
そしてKの誘導は、厳密には熱力学から誘導されるとして、速度比から誘導されるとは
していませんよね。

繰り返しますが、平衡定数Kの分子分母は、右向きの反応速度と左向きの反応速度の比では
ないのです。

psa29 · Answer

No.3で回答した通り、質問者さんが示された式は、平衡定数Kの式ですね。
この式の分子がv１で分母がv２だと誤解されているのではないですか？
そうではないのです。
AとBを混合した直後は、ほとんどがAとBで、まだXもYも生成していません。
この時にはv1が大きく、v２は小さい。
なぜならばXもYもまだないからです。
v1、v２がどのような速度式になっているのか？それは。ここでは分かりません。
v1、v２は、化学反応の種類によるからです。
時間経過により、XとYが生成してきて、AとBの濃度が低下します。
するとv1は小さくなり、v2が大きくなります。
v1とv２が等しくなると、そこが平衡状態です。

平衡になった時、添付資料の式である　Kが一定値として成立するのです。

v1,v2において、たまたま反応式と反応次数が一致する反応を利用すれば、
平衡時（v１＝v２）の時にKのような数式になると理解しやすいので、
教科書ではHIの事例がよく出てきます。

もちろんHIのように反応式と反応次数が一致する反応も存在する訳ですし、
一致しない反応も存在します。

一致しない反応においても平衡定数Kは成立するのです。
Kの数値自体は、温度が変われば、変化します。

理解を助けるために、たまたま反応式と反応次数が一致する反応を事例として
説明したことが、質問者さんの疑問になってしまったのですね。

でも、このような疑問を持つということは、良い感覚をしていると思いますよ。
勉強、頑張ってください。

psa29 · Answer

>化学平衡の状態というのは反応物の生成速度v1と分解速度v2が等しくなったときだということですが
　その系だけを考えているのでしたら、それでよろしいかと思います。

＞v1とv2の式の反応次数は反応式の係数によらないのに
　はい、反応速度式の次数は、化学反応式の係数と等しいとは限りません。
　もちろん、等しい場合もありますが、実際に実験をして反応次数を決定しなければなりません。
　（反応の種類により、次数と係数が等しい反応もあれば、等しくない反応もあります。
　　次数が整数とは限らず、1.5次反応など小数点のつく反応もあります。
　　ですから、実際に反応次数は実験で求めるのです。）

＞化学平衡の法則の式における反応次数は反応式の係数に等しくなるのでしょうか？
　何をもって質問者さんが、このように理解しているのかがわかりません。
　もしかして、平衡定数Kの式の分子分母の次数のことですか？
　平衡定数は、右反応と左反応の速度比ではありません。
　もしこれが速度比で分子分母が等しい時が平衡だと考えてしまうと、平衡定数は常に１に
　なってしまいます。

化学平衡における平衡定数の定義式は、平行状態における化学ポテンシャルの釣り合いから
　導き出されています。
　そして、平衡定数の大小により、平衡時に右側にすごく寄っている平衡反応か？
　左側に寄っている平衡反応なのか？平衡時に各成分がどの程度存在するのかが分かるのです。

take928 · Answer

平衡は可逆反応において、正、負の反応が見かけ上無くなった時です。見かけ上は止まっても反応はしてます。速度が同じになるとは限らない。

doc_somday · Answer

＞v1とv2の式の反応次数は反応式の係数によらない
そんなことどこにも定義されていませんよ、あなたが付けただけ。
違うなら、反応式を全部お書き下さい。
またあなたの平衡の定義も間違えている。
＞反応物の生成速度v1と分解速度v2が等しくなった
これが平衡なのは、閉鎖系であるときだけで、開放系ではこの定義は「定常状態」になる。

化学平衡について質問します 化学平衡の状態というのは反応物の生成速度v1と分解速度v2が等しくなった

補足拝見しました。

No.3で回答した通り、質問者さんが示された式は、平衡定数Kの式ですね。

>化学平衡の状態というのは反応物の生成速度v1と分解速度v2が等しくなったときだということですが

平衡は可逆反応において、正、負の反応が見かけ上無くなった時です。

＞v1とv2の式の反応次数は反応式の係数によらない

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