化学平衡の問題解説：反応ギブズエネルギーの計算方法と反応商Qの求め方

化学平衡に関する問題では、反応ギブズエネルギーを計算する際に、反応商Qを正しく求めることが重要です。この問題では、NH3の標準生成ギブズエネルギーと、与えられた分圧に基づいて反応ギブズエネルギーを求める方法を解説します。

反応ギブズエネルギーの計算式

反応ギブズエネルギーは以下の式で計算できます。

ΔrG = ΔrG(0) + RT ln(Q)

ここで、ΔrG(0)は標準反応ギブズエネルギー、Rは気体定数（8.314 J/mol·K）、Tは絶対温度（K）、Qは反応商です。この式を使うことで、標準反応ギブズエネルギーから、実際の条件下での反応ギブズエネルギーを求めることができます。

反応商Qは、化学反応の各成分の分圧や濃度に基づいて求めます。問題文における反応式は以下の通りです。

N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g)

反応商Qは、この反応式に従って、各成分の分圧を指数にしたものです。具体的には、以下の式を使用します。

Q = (P_NH3^2) / (P_N2 * P_H2^3)

ここで、P_NH3, P_N2, P_H2はそれぞれNH3, N2, H2の分圧です。問題で与えられた分圧は以下の通りです。

これらの値を代入してQを計算します。

Q = (4.0^2) / (3.0 * 1.0^3) = 16 / 3 = 5.33

次に、反応ギブズエネルギーを求めます。標準生成ギブズエネルギーΔrG(0)は-16.5 kJ/molと与えられており、Tは298 Kです。気体定数Rは8.314 J/mol·Kですが、単位を合わせるためにkJ/mol·Kに変換します。R = 0.008314 kJ/mol·Kです。

ΔrG = ΔrG(0) + RT ln(Q)

ΔrG = -16.5 kJ/mol + (0.008314 kJ/mol·K * 298 K * ln(5.33))

ΔrG = -16.5 kJ/mol + (0.008314 * 298 * 1.676) ≈ -16.5 kJ/mol + 4.17 kJ/mol

ΔrG ≈ -14.33 kJ/mol

この計算から、反応ギブズエネルギーはおおよそ-14.4 kJ/molとなり、模範解答と一致します。

化学平衡の問題では、反応ギブズエネルギーを求める際に、正しい反応商Qを計算することが重要です。この問題では、与えられた分圧を使って反応商を求め、その後にギブズエネルギーの計算を行いました。反応商Qの求め方とその後の計算の流れをしっかりと理解することが、問題解決の鍵となります。