化学平衡の移動シミュレーション

この実験について

淡黄色の N₂O₄ と褐色の NO₂ の可逆気相反応を調べましょう。この吸熱モデルでは、加熱すると解離が進み、圧縮すると気体分子数の少ない側に平衡が移動します。2つの反応速度を比べてみましょう。動的平衡では、両方の反応が続いているにもかかわらず、反応速度は等しくなります。パラメーターを変更するたびに、選択した初期量から新しい計算が始まります。

学習目標

動的平衡と、反応が停止した状態を区別する
温度、体積、初期濃度が平衡組成に与える影響を予測する
平衡濃度商で等しい正反応速度と逆反応速度を結び付ける
温度と体積の変化にルシャトリエの原理を適用する
体積を変えても Kc は変化しない一方で、平衡時の量は変化する理由を説明する

使い方

1298 K、1 Lで実行し、2つの速度表示が等しくなるまで待ちます。2つの濃度を比較します。
2温度を 350 K に上げて新しい計算を開始し、最終的な褐色の NO₂ 濃度と Kc を比べてください。
3温度を一定に保ったまま体積を減らし、最終的な物質量、濃度、圧力を比較します。
4「初期 NO₂ 量」スライダーで初期 NO₂ を加え、初期の逆反応速度と平衡に近づく様子を確認してください。
5体積を 5 L に設定し、1 L の場合と比べて平衡に達するまでの時間を確認してください。

モデル

N_{2} O_{4} ⇌ 2 N O_{2}, K_{c} = \frac{[ N O _{2} ] ^{2}}{[ N _{2} O _{4} ]}

理想気体モデルにおける平衡濃度商

r_{f} = k_{f} [D], r_{r} = k_{r} [M]^{2}, \frac{d [ M ]}{d t} = 2 (r_{f} - r_{r})

反応イベント速度と単量体濃度の変化

K_{c} (T) = K_{c, 0} \frac{T _{0}}{T} exp [- \frac{Δ H}{R} (\frac{1}{T} - \frac{1}{T _{0}})]

エンタルピー一定を仮定したファントホッフの関係式と、理想気体における Kp から Kc への温度変換係数

2 n_{D} + n_{M} = constant, P = \frac{( n _{D} + n _{M} ) R T}{V}

保存される NO₂ 換算量と理想気体の全圧

前提条件

気体は理想気体として扱い、十分に混合され、各実行中は均一な一定温度と体積に保たれます。
選択した説明用パラメーターは、298 KでKc = 0.006 mol/L、反応エンタルピー57 kJ/mol、逆反応速度定数5 L/(mol s)です。これらは説明用の値であり、実験データに当てはめたものではありません。
逆反応の速度定数は一定に保たれ、正反応の速度定数は kr × Kc です。解析解では NO₂ 換算量が厳密に保存されます。
各実験は、0.10 mol の N₂O₄ と、選択した量の NO₂ から始まります。粒子アイコンは物質の種類を示すもので、原子の正確な構造を表しているわけではありません。

授業で試してみましょう

Q1このモデルでは、なぜ温度が上がると褐色の気体が増えるのでしょうか？
Q2圧縮すると、最終的な NO₂ 濃度は必ず低下するのでしょうか。それとも、物質量と濃度は異なる変化をすることがあるのでしょうか？
Q3平衡状態では、正味の濃度変化がゼロなのに、なぜ両方向の反応速度が正の値になり得るのでしょうか？
Q4褐色の気体が入った密閉フラスコを氷水に入れると、色はどうなり、なぜそうなるのでしょうか？
Q5触媒は両方の反応を同じ程度に速めます。最終濃度は変化するでしょうか？

よくある質問

体積を変えるとKcも変わりますか？

温度が一定なら、変わりません。体積を変えると濃度が変わり、その結果、平衡時の物質量が移動します。選択した熱力学モデルでは、Kcは温度によって変化します。

加熱すると、なぜ時間ゼロから新しい曲線ができますか？

対照実験では、選択した初期量を用いて、別々の閉鎖系での実験を比較します。1回の連続した実験で温度を上げたり、ピストンで圧縮したりするシミュレーションではありません。

なぜ N₂O₄ と NO₂ を例に使うのですか？

NO₂ は褐色で、N₂O₄ はほぼ無色であるため、教室での定番の実演実験です。この気体混合物を密閉した管を熱湯に入れると目に見えて色が濃くなり、氷水に入れると色が薄くなるため、平衡の移動を簡単に観察できます。