9章C 類題1-2(150925)　　　　　　　　　　　　　　TOP-C


[問題]　次の文章を読み, 問1～6に答えなさい。


　化学反応式が一見して単純であっても, 複数の反応によって反応物が生成物へ変化する場合がある。例えば, 気体の水素分子 H₂ と気体のヨウ素分子 I₂ から気体のヨウ化水素分子 HI が生成する次の反応を考えよう。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　H₂ + I₂ → 2HI　…(1)

　ここで, 反応速度定数は k₁ である。この反応は 600 K 以上の高温において進行し, 9 kJ・mol^-1 の発熱反応である。反応(1)では逆反応は考慮しなくてよい。また, HI の生成速度 v_{H I} は次式で表わされるように, H₂ のモル濃度 [H₂] と I₂ のモル濃度 [I₂] の積に比例することが実験事実として知られている。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　v_{H I} = k₁[H₂][I₂]　…(2)

　(2)式が成り立つことから, 一見すると H₂ と I₂ が衝突し, 反応(1)が進行するように見える。しかし, 次の二つの反応の組合せによって HI が生成する説が有力である。

　　　　　　　　　　　　　　　　　I₂ ⇄ 2I　…(3)　　　　　　　　　H₂ + 2I → 2HI　…(4)

　ここで, 反応(4)の反応速度定数は k₂ である。ヨウ素原子 I は気体として存在し, 反応(3)では平衡が成立している。反応(4)では逆反応を考慮しなくてよい。また, H₂ はほとんど解離しないものとする。反応(3)の正反応は, 150 kJ・mol^-1の(　a　)反応であり, 平衡定数は,

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　K = [I]²/[I₂]　…(5)

　である。ここで, [I] は I のモル濃度である。
　反応(3)で生成した I は, H₂ と衝突し, ①エネルギーの高い中間状態を経由して, 反応(4)に従って HI が生成する。反応(4)による HI の生成速度 v_{H I} は

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　v_{H I} = k₂[H₂][I]²　…(6)

　で表わされる。②反応(3)の正反応, 逆反応の速度が反応(4)に比べて圧倒的に速く, 常に平衡が成立しているとする。このとき, HI の生成速度 v_{H I} は, [H₂] と [I₂] の積に比例し, 実験事実と合致する。この例から分かるように, 単純な化学反応式で記述される化学反応でも, 実際に起きている過程は複雑な場合がある。


問1　空欄(　a　)に当てはまる語句は吸熱か発熱かのいずれかで答えなさい。その理由を 30～50字程度で記しなさい。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　答


問2　反応(3)において, 圧力一定で温度を上昇させたとき, 平衡はどちらに移動するかを答えなさい。その理由を40～80字程度で記しなさい。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　答


問3　下線部①は何と呼ばれる状態かを答えなさい。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　答


問4　反応(4)の反応熱は何 kJ・mol-1 ですか。有効数字3桁で答えなさい。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　答


問5　下線部②において, 反応(4)の反応速度が [H₂] と [I₂] の積に比例することを示しなさい。また, k₁, k₂, K の間に成り立つ関係式を記しなさい。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　答


問6　反応(3)の正反応・逆反応の速度よりも, 反応(4)の反応速度の方が圧倒的に速いとしよう。このとき, HI の生成速度は [H₂] と [I₂] に対してどのような依存性をもちますか。例えば, [H₂][I₂] に比例する, のように答えなさい。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　答