均衡 – セッション 1

クローズドシステム。オープンシステム。隔離されたシステム。可逆反応。化学平衡。液化ガス平衡。固気平衡。

閉鎖系とは、境界を越えてエネルギーを伝達できるが、周囲との物質の交換はできない熱力学系です。言い換えれば、システム全体の質量は一定のまま、エネルギーは閉鎖系に出入りすることができます。閉鎖系の例としては、蓋付きの沸騰したお湯の入った鍋が挙げられます。熱が鍋に出入りして水を沸騰させます。鍋の中の水の量は変わりません。

オープンシステムでは、エネルギーと物質の両方を周囲と交換することができます。言い換えれば、開放系では境界を越えて物質とエネルギーが自由に流れます。これらのシステムは自然界ではより一般的です。多くの場合、環境との相互作用が伴います。蓋のない沸騰したお湯の入った鍋は開放系の一例です。この場合、水蒸気は逃げ、新鮮な空気が入ります。したがって、この場合には熱の交換に加えて物質の交換も起こります。

孤立したシステムは周囲とエネルギーや物質を交換しません。完全に自己完結型です。境界を越えて熱、仕事、質量が伝達されることはありません。隔離されたシステムの例としては、外部環境との相互作用がなく、絶縁され、完全に密閉された剛性のコンテナが挙げられます。孤立系の場合、内部エネルギーの変化はゼロです。これは周囲とのエネルギー交換がないためです。

可逆反応とは、順方向と逆方向の両方向に進行できる化学反応です。これは、反応物が生成物を形成できると同時に、生成物が反応して元の反応物を形成できることを意味します。可逆反応は二重矢印で示されます。これは、反応が両方向に起こり得ることを示しています。

可逆反応は動的です。つまり、条件に応じて反応物と生成物が絶えず変化しているということです。水素ガスと酸素ガスから水が生成される反応は可逆反応の一例です。可逆反応のもう一つの例は、塩化アンモニウムがアンモニアガスと塩化水素ガスに解離することです。

化学平衡とは、正反応と逆反応の速度が等しい状態です。平衡状態では、反応物と生成物の濃度は一定のままです。このシステムは、時間の経過とともにマクロ的な変化を示さない。二酸化窒素と四酸化二窒素の反応に関わる化学平衡の例を考えてみましょう。この可逆反応では、四酸化二窒素は二酸化窒素ガスと平衡状態にあります。

この反応は順方向と逆方向の両方向で進行します。正反応では、四酸化二窒素が分解して二酸化窒素分子 2 つが生成されます。逆反応では、2 つの二酸化窒素分子が結合して四酸化二窒素が形成されます。

反応開始時には四酸化二窒素が過剰に存在します。反応が進むにつれて、四酸化二窒素分子の一部が二酸化窒素分子に分解されます。同時に、二酸化窒素分子が形成されると、二酸化窒素分子の一部が結合して四酸化二窒素が生成されます。このプロセスは、正反応の速度と逆反応の速度が等しくなるまで続きます。その結果、化学平衡の状態が確立されます。化学平衡は動的平衡とも呼ばれます。動的という用語は、反応の継続的な性質を強調します。

可逆反応の動的平衡を示すグラフを描いてみましょう。レートは y 軸にプロットされます。時間は x 軸にプロットされます。最初は、順反応の速度が高く、逆反応の速度はほぼゼロであることがわかります。しかし、時間が経つにつれて、前向き反応の速度は低下し始めます。時間が経つにつれて、逆反応の速度が増加します。順反応の速度が逆反応の速度と等しくなる時点が来ます。この点から、x 軸に平行な直線が引かれます。この線は動的平衡の状態を表します。

液気平衡とは、閉鎖系における物質の液相とそれに対応する気相との間の平衡状態を指します。この平衡は、液体とその蒸気が密閉容器内で共存するときに発生します。蒸発と凝縮を通じて、液相と気相の間で分子の継続的な交換が行われます。

まず蒸発と凝縮について理解しましょう。蒸発は液体が気体に変化するプロセスです。蒸発の際、液体の表面にある分子は十分な運動エネルギーを得て、気相に逃げ出します。凝縮とは、気体分子がエネルギーを失って液相に戻るプロセスです。

動的平衡では、次のことが起こります。分子の蒸発速度は凝縮速度に等しい。液体と気体の平衡の一例としては、水の沸騰が挙げられます。水の沸点は100℃です。沸点では、液体の水は水蒸気と共存します。この温度と圧力では、水分子の蒸発速度は水蒸気の凝縮速度と等しくなります。これが動的平衡の状態です。

固気平衡とは、物質の固相とそれに対応する気相の間に生じる動的平衡を指します。この平衡状態では、昇華と沈着を通じて固相と気相の間で分子の継続的な交換が行われます。まず昇華と沈着について理解しましょう。

昇華とは、固体が液相を経ることなく直接気体に変化する過程です。沈着とは、ガスが液相を経由せずに直接固体に変化するプロセスです。平衡状態では、物質の昇華速度は沈着速度と等しくなります。

例を使って固体と気体の平衡を理解しましょう。固体ヨウ素を密閉容器に保存すると、直接気相に変化します。同時に、gaseousヨウ素は再び固体ヨウ素に変換されます。固体ヨウ素の昇華速度とgaseousヨウ素の沈着速度は等しくなります。その結果、ヨウ素の液相とgaseous相の間に動的平衡が確立されます。

均衡 – セッション 2

均衡 – セッション 1

クローズドシステム。 オープンシステム。 隔離されたシステム。 可逆反応。 化学平衡。 液化ガス平衡。 固気平衡。

クローズドシステム。オープンシステム。隔離されたシステム。可逆反応。化学平衡。液化ガス平衡。固気平衡。