化学反応の平衡定数と溶解度積の計算方法

化学反応における平衡定数や溶解度積の計算は化学の基本的な問題の一つです。今回は、N2 + 3H2 ⇔ 2NH3 の反応における平衡定数の求め方と、PbCl2が沈殿するかどうかを決めるための溶解度積(Ksp)を用いた計算について解説します。

1. N2 + 3H2 ⇔ 2NH3 の反応の平衡定数 (Kp と Kc)

この反応の平衡定数をKpとKcを用いて表す方法について説明します。反応式は次の通りです。

N2 + 3H2 ⇔ 2NH3

Kpは気体の分圧を基に計算され、Kcは物質の濃度を基に計算されます。KpとKcは次のような関係があります。

Kp = Kc(RT)^(△n)

ここで、Rは気体定数、Tは温度、△nは反応前後の気体モル数の差です。この反応では、反応前の気体のモル数が4（N2 + 3H2）であり、反応後は2（2NH3）なので、△n = 2 – 4 = -2 となります。

したがって、KpとKcの関係は以下のように表せます。

Kp = Kc(RT)^(-2)

次に、20°Cで0.010 mol/LのPb(NO3)2と0.020 mol/LのNaClを同量混合した場合にPbCl2が沈殿するかどうかを調べます。PbCl2の溶解度積(Ksp)は1.2×10^(-5)です。

PbCl2の溶解度積の式は次のように表せます。

Ksp = [Pb^2+][Cl-]^2

反応において、Pb^2+とCl-の濃度はそれぞれ0.010 mol/Lと0.020 mol/Lです。したがって、Kspの値を計算するために次のように代入します。

Ksp = (0.010)(0.020)^2 = 4.0 × 10^(-5)

この値がKsp（1.2×10^(-5)）より大きいため、PbCl2は沈殿します。

今回は、化学反応の平衡定数（KpとKc）を求める方法と、PbCl2の沈殿が起こるかどうかを求めるための溶解度積(Ksp)を使った計算方法を解説しました。反応の平衡定数や溶解度積を計算することで、化学反応がどのように進行するかを予測することができます。

計算の過程を理解することが、化学の深い理解に繋がります。どのように物質の濃度や圧力が変化すると反応が進むのか、または逆に沈殿が起きるのかを知ることは、化学反応を学ぶ上で非常に重要なスキルです。