ルシャトリエの原理

ルシャトリエの原理：化学平衡の応答

1884年、アンリ・ルシャトリエによって発表されたルシャトリエの原理（もしくはルシャトリエの法則）は、化学平衡状態にある系に外的な変化を加えた際に、平衡がどのように移動するかを予測する上で非常に重要な原理です。後にカール・ブラウンも独立して同様の原理を発表したことから、ルシャトリエ＝ブラウンの原理とも呼ばれています。

この原理は、平衡状態にある反応系に対し、温度、圧力、あるいは反応に関与する物質の濃度などの状態変数を変化させると、その変化を打ち消す方向へ平衡が移動するというものです。言い換えれば、系は加えられた変化に対抗するように反応するのです。

温度変化による平衡の移動

反応系の温度を上昇させると、平衡は吸熱反応の方向へ移動します。これは、系の温度上昇という変化を相殺するために、熱を吸収する反応が促進されるためです。逆に、温度を低下させると、発熱反応の方向へ平衡が移動し、熱を発生させることで温度低下を打ち消そうとします。

例として、窒素と水素からアンモニアを合成する反応を考えてみましょう。

N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃ + 92.2kJ

この反応は発熱反応（反応エンタルピーΔH < 0）であるため、温度を上昇させると平衡は左（原料側）へ移動し、アンモニアの生成量は減少します。逆に、温度を下げると平衡は右（生成物側）へ移動し、アンモニアの生成量は増加します。

温度変化による平衡移動の定量的関係は、ファントホッフの式で表されます。この式は、平衡定数Kと反応エンタルピーΔH、絶対温度Tの関係を示し、温度変化が平衡定数に及ぼす影響を定量的に予測することを可能にします。

圧力変化による平衡の移動

気体反応系において、全圧を増加させると、平衡は気体分子の数が少ない方向へ移動します。これは、圧力増加という変化を相殺するために、気体分子の数を減らすことで系の体積を小さくしようとするためです。逆に、全圧を減少させると、気体分子の数が多く、体積の大きい方向へ平衡が移動します。

上記のアンモニア合成反応の場合、反応物側（N₂ + 3H₂）の気体分子数は4、生成物側（2NH₃）の気体分子数は2です。したがって、全圧を増加させると平衡は右（生成物側）へ、全圧を減少させると平衡は左（原料側）へ移動します。

濃度変化による平衡の移動

反応に関与する物質の濃度を増加させると、平衡はその物質を消費する方向へ移動します。逆に、濃度を減少させると、その物質を生成する方向へ移動します。

例えば、アンモニア合成反応において、窒素の濃度を増加させると、窒素を消費してアンモニアを生成する方向へ平衡が移動します。しかし、複数の物質の濃度を同時に変化させた場合、平衡の移動方向は単純に予測できない場合があります。

まとめ

ルシャトリエの原理は、化学平衡の理解に不可欠な原理です。温度、圧力、濃度変化といった外的な要因が平衡に及ぼす影響を予測し、反応条件を最適化するために広く利用されています。ただし、原理の適用にあたっては、特に複数の要因が同時に作用する場合には注意が必要であり、それぞれの要因が平衡に及ぼす影響を個別に考慮する必要があります。 平衡定数やファントホッフの式などの熱力学的な考察を組み合わせることで、より正確な予測が可能になります。また、系全体の圧力や、それぞれの成分の分圧などを正確に把握することも重要です。

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