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質量作用の法則とは？
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１： > 反応式の係数が何でべき乗関数の指数になってるんですか？？ logったからです。 > 例えば I２+H2が2HIになる化学平衡は、 > HIの濃度を二乗しますよね？どんな意味があるんですか？ I2+H2⇔2HIという、非常に特殊な化学平衡に限っていえば、逆反応の速度がHIの濃度の二乗に比例するから、と考えても間違いではありません。 しかしN2+3H2⇔2NH3などの他の多くの化学平衡では、そのような考え方は、間違いになります。A+B⇔2Cのように一般化することもできません。間違いになります。詳しくは http://www.keirinkan.com/kori/kori_chemistry/kori_chemistry_2_kaitei/contents/ch-2/2-bu/2-2-1.htm の最後にある◆平衡定数と反応速度式 を参考にしてください。 ２： > そもそも高校範囲でこの法則は理解可能なのでしょうか？ 不可能です。 化学ポテンシャル（ケミカルポテンシャル）について学ぶ必要があります。少なくとも自由エネルギー（ギブスのフリーエネルギー）について知っていなければなりません。上で示した啓林館の解説ページにも、「化学平衡にある系では，系全体の自由エネルギーが極小値になっており」とか「この式は統計力学や熱力学から導く事ができ」などと書かれています。反応速度に基づいた説明は、理解を深めるためというよりも記憶を助けるためになされるもの、と割り切って考えてください。 > 厳密な証明はいりません。概論的な納得が得られれば十分です。 平衡定数の式を熱力学から導く方法は、だいたい こんな感じです。 ---------- 温度T,全圧pのもとで A + B ⇔ 2C ……(1) の化学平衡を考える。 温度T、圧力poのときのA, B, Cの化学ポテンシャルをそれぞれμoA, μoB, μoC とすると、温度T、分圧がそれぞれpA, pB, pCのときのA, B, Cの化学ポテンシャルは μA = μoA + RT ln(pA/po) ……(2a) μB = μoB + RT ln(pB/po) ……(2b) μC = μoC + RT ln(pC/po) ……(2c) で与えられる[注1]。ただし、A, B, Cのいずれも理想気体の状態方程式に従うものとした。 式(1)の化学平衡が成り立っているとき、μA, μB, μC の間には μA + μB = 2・μC ……(3) の関係が成り立つ。式(3)に式(2)を代入して少し計算すると式(4)が得られる[注2]。 (pC)^2/(pA・pB) = e^(-(2μoC-μoA-μoB)/(RT)) ……(4) μoA,μoB,μoCがp,pA,pB,pCに依らないので、式(4)の右辺はp,pA,pB,pCに依存しない。 一方、pA,pB,pCはpoに依らないので、式(4)の左辺はpoに依存しない。よって式(4)の右辺もpoには依存しない。なぜなら右辺がpoに依るならば等式で結ばれている左辺もpoに依ることになり、矛盾するからである。これらのことから、式(4)の右辺がTにのみ依存することがわかる。 式(4)の右辺は、平衡定数（より正確には圧平衡定数）と呼ばれる。平衡定数は温度のみの関数であり、分圧(組成)や全圧には依存しないことが上の導出からわかる。 ---------- 注1：ln(x) は、xの自然対数(eを底とする対数)。 注2：e^x は、eのx乗。exp(x)と書くことも多い。 “化学平衡にある系では，系全体の自由エネルギーが極小値になっている”という知識を使えば、即座に式(1)から式(3)を書き下すことができます。 N2＋3H2⇔2NH3 という化学平衡ならば μN2＋3×μH2＝２×μNH3 という具合です。 熱力学から平衡定数の式を導くと、反応式の係数が２より大きくなっても何の問題もないことが理解できます。アンモニアが生成/分解する化学平衡において、（極端な高圧でない限り）質量作用の法則が成り立っていることは、よく知られた事実です。 式(2)の導出は少し難しいので、大学に入ってからゆっくりと学んで下さい。RT ln(pA/po)の項は、“気体は圧力の高いところから低いところへ流れるのが自然の摂理だ”という、ごくごく当たり前のことを数式で表現しているだけなのですけど、真面目に導出するとエントロピーやら自由エネルギーやらの話になるので、下準備が必要になります。
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