自由エネルギーの導入について

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味する。０℃では、水が（凝固）する変化の「勢い」と、氷が（融解）する変化の「勢い」
が（バランス）している。そして前者は水のモル濃度に、後者は氷のモル濃度に比例して
いる。
　　　　凝固の勢い＝Ｋ_f×（水のモル濃度）
　　　　融解の勢い＝Ｋ_m×（氷のモル濃度）
　　　　　　Ｋ_f，Ｋ_m：比例定数
ここに食塩を加えると、食塩はもっぱら（水）に溶解し、（氷）は元のままである。つま
り水のモル濃度だけが（小さく）なる。すると凝固の勢いが（劣る）ようになり、０℃で
は氷が融解してしまうことになる。この条件ではもっと低い温度で両方の変化の勢いがバ
ランスする。ここでは（溶媒）である水のモル濃度の方に注目するのがポイントである。
　ちなみに、変化の「勢い」に影響するもうひとつに要因は（温度）である。つまり上の
比例定数は温度によって変化する。
注意：上の説明では簡単のために「比例定数」を使っているが、正確にはこの代わりに対
　　　数を含む関数が書かれるべきである。
問　浸透が起こる理由を説明してみよ。
　　　　半透膜をはさんで、次の２つの変化がせめぎ合う。
　　　　　　真水の水分子が透過する変化Ａ
　　　　　　ショ糖水溶液の水分子が透過する変化Ｂ
　　　　真水の水のモル濃度の方が大きいので、変化Ａの勢いが優って、
　　　　真水の水分子がショ糖水溶液に移動する。
＜以上＞
　また水素イオン指数（ｐＨ）に係わって次の説明を入れました。
＜授業プリントより＞
［２］このように酸性の強さはたいてい（ｐＨ）で表示される。それなら水素イオンのモ
ル濃度ではなく、その指数部分を使う意味は何だろうか。
　すこし難しくなるが、６章で物質が化学的変化をする「勢い」はモル濃度に比例するこ
とを学んだ。しかしより正確にはモル濃度の指数部分に比例しているのだ。こんなわけで
溶液を２倍、３倍と希釈しても顕著な違いが現れないことが多い。その場合は溶液を（１
０）倍、（１００）倍と希釈するとよい。そんな例として紫キャベツ色素がｐＨの違いで
変色する実験をみてみよう。
＜以上＞
　もうひとつは、電池の電圧と勢い（自由エネルギー）をすこしばかり結び付けて、理論
的興奮を味わうことです。
＜授業プリントより＞
［３］（ダニエル電池）タイプ、つまり両方の電極とも金属とその陽イオンが接触する電

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池が示す（起電力）は特別の意味を持っている。
　ダニエル電池では亜鉛が電子を与える反応を起こすが、たとえば亜鉛電極の側を銀と硝
酸銀水溶液に変えれば、電子得失表から分かるように銅が銅イオンになって電子を与える
反応を起こす。つまりダニエル電池では次の２つの電子を与える反応が（攻めぎ合って）
いる。
　　　　Ｚｎ −→ Ｚｎ²⁺ ＋ ２ｅ^-
　　　　Ｃｕ −→ Ｃｕ²⁺ ＋ ２ｅ^-
そしてその起電力は２つの反応の「勢い」の（差）を表しているのだ。こうしてダニエル
電池タイプの起電力を次々に計測すると、電子を与える反応の勢いを数値で比較できるよ
うになる。
＜以上＞
　皆さんはどのように考えますか。次は化学平衡での扱いについて書いてみたいと思いま
す。
　ではまた。

件名：自由エネルギーの導入について（その２）
こんばんは、林です。
　いま改めて昨年の夏休みに改訂した作文「化学平衡」を読み返して、そのときからも自
分の考えがさらに進展していることに気付きました。つまりその引用でこのメールを完成
させることはできないようです。
　さて平衡状態は、左辺の物質が変化する勢いと右辺の物質が変化する勢いがぶつかり合
い、バランスしている状態です。例によってアンモニア合成を引き合いに出しましょう。
　　　　Ｎ₂ ＋ ３Ｈ₂ ―→ ２ＮＨ₃
物質が２種以上で、反応式の係数が１でないときの自由エネルギーは
　　Ｆ＝Ｆ（Ｎ₂）＋３Ｆ（Ｈ₂）＝Ｆ₀（Ｎ₂）＋ＲＴｌｎ［Ｎ₂］
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　＋３Ｆ₀（Ｈ₂）＋３ＲＴｌｎ［Ｈ₂］
　　　　　　　　　　　　　　　＝Ｆ₀＋ＲＴｌｎ（［Ｎ₂］［Ｈ₂］³）
となります。ここでは活量の代わりにモル濃度を使いました。
　生徒には２種以上の物質が反応するときの勢いは、
　　　　それぞれのモル濃度を掛け合わせ、かつ「係数」乗して重みを付けたものに比例
する
　　　　　　合成の勢い＝Ｋ_s×（［Ｎ₂］［Ｈ₂］³）
と天下り的に教えたいと思います。
　すると逆反応については
　　　　　　分解の勢い＝Ｋ_d×（［ＮＨ₃］²）

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そして平衡状態では両方の変化の勢いが等しいので
　　　　　　（［ＮＨ₃］²）／（［Ｎ₂］［Ｈ₂］³）
の数値は一定になり、これは平衡定数と呼ばれる、と展開します。
　ひとたびこの「質量作用の法則」が導入できれば、濃度変化の影響は、ルシャトリエの
原理より明確かつ精密に推論できるようになります。圧力の影響は濃度に置き換えて理解
できます。
　なおいちいち質量作用の法則に戻らなくても、上記の「凝固点降下」の例のように、変
化の勢いから簡単に平衡移動の向きを判断することも多く取り入れたいと考えています。
　そして次に温度変化が化学平衡に及ぼす影響についてです。これは自由エネルギーから
導入するのは難しいと考えています。そこで私は次のように法則化します。これは作文
「化学平衡」からの引用です。
＜引用＞
　　　　２ＮＯ₂ ＝ Ｎ₂Ｏ₄ ＋ ４７.８ｋＪ
（中略）
　ところで私たちは、温度を高くしたときの結果を予測できる法則を知りたいわけである。
幸いそれは可能である。温度を高くするとは、加熱して熱エネルギーを与えることである。
であればより大きいエネルギーを持つ二酸化窒素が増えるしかない。続いてアンプルを冷
水に浸けて温度を低くすると、それは熱エネルギーを奪うことだから、より小さいエネル
ギーを持つ四酸化二窒素が増えて、赤茶色はうすくなる。
　したがって平衡移動に対する温度の影響をまとめると
　　「濃度を変化させないなら、温度を高くするとより大きいエネルギーを持つ物質
　　　が増える向きに、温度を低くするとより小さいエネルギーを持つ物質が増える
　　　向きに、平衡移動する。」
となる。
＜以上＞
　ルシャトリエの原理は化学系の慣性を表すものとして評価はしますが、私は変化の勢い
を中心にした方が生徒には理解しやすいと思います。
　以上、自由エネルギーを高校化学のひとつの道筋として導入することの提案です。皆さ
んの批判と感想を期待しています。
　ではまた。

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