1. 概要: ルシャトリエの原理とは
2. ルシャトリエの原理について具体的に
   • 温度の変化
   • 圧力の変化
   • 濃度の変化
3. ルシャトリエの原理を「平衡定数一定」の規則から理解する

以下の一連のページが、酸・塩基についてのまとめになっています。体系的に学びたい人は、以下の順に読むことをお勧めします。

1. 質量作用の法則と平衡定数
2. ルシャトリエの原理 (このページ)
3. 酸・塩基の定義
4. 水のイオン積と pH
5. 解離定数
6. 緩衝液 buffer について

概要: ルシャトリエの原理とは

化学反応 aA + bB + ... ⇌ cC + dD + ... が平衡 equilibrium に達したとき、各成分の濃度の比 K

は 温度と圧力だけの関数となる。ただし [A] は A のモル濃度を示す。

これを 質量作用の法則 といい、K は平衡定数 equilibrium constant と呼ばれる。詳細はリンク先を参照のこと。

平衡定数は温度と圧力のみの関数であるから、定温・定圧では一定の値をとる。このページでは、条件が変わった際の平衡移動を支配する ルシャトリエの原理 Le Chatelier's principle について解説する。

ルシャトリエの原理について具体的に

化学平衡状態にある系の温度や圧力などを変化させると、系は新しい平衡状態へ向かって変化する。この平衡状態の 移動の方向 を示すのがルシャトリエの原理である。この法則は、以下のように表現することができる。

温度、圧力および濃度について、具体例で考えてみる。

温度の変化

窒素 と 水素 を反応させると、以下の反応式のように アンモニア と熱が生じる。

この反応系の温度を下げると、温度低下をなるべく小さくする方向、すなわち反応から熱が出る方向へ平衡が移動する。

右向きの反応が起こって、新しい平衡状態に達すると言っても良い。したがって、この反応から得られるアンモニアの量は、温度を下げることで増える。

圧力の変化

同じ反応で、左辺には右辺の 2 倍のモル数の気体がある。つまり窒素を 1 とすると水素は 3、生成するアンモニアは 2 である。

圧力を上げると容積は小さくなる。平衡は容積変化を打ち消す方向に移動するので、右側へ移動することになる。

濃度の変化

同じ反応で、生成するアンモニアを取り除いたとしよう。このとき、平衡はアンモニアを増やす方向に移動する。つまり右へ移動する。

一方、反応から窒素を取り除いた場合には、この窒素の不足分を補うために平衡は左に移動することになる。

ルシャトリエの原理を「平衡定数一定」の規則から理解する

下の反応系に N₂ を添加した場合について、シンプルに考えてみる。

1. 上の反応が平衡状態にあるときに N₂ を添加すると、N₂ の濃度が上がり、平衡が崩れる。
2. 平衡定数 K の定義から、N₂ の濃度は分母にくる。したがって、N₂ 添加直後には K が小さくなる。
3. ところが、K は一定でなければならないので、平衡は K を大きくして元の値に戻す方向に移動しなければならない。
4. K を大きくするためには、分子の値 (すなわち NH₃ の濃度) を増やさなければならない。
5. したがって、平衡は右に移動することになる。「変化を打ち消す方向」と同じことになる。

文献 4 には数式を使った説明が載っているので、そちらも参照のこと。ただし、これはルシャトリエの原理を限定的にしか説明できないので、あまり好きではない。

どういうことかというと、ルシャトリエの原理は温度が変化したときにも成り立つ。温度が変化すると平衡定数も変わるので、「平衡定数が一定だからルシャトリエの原理が成り立つ」という説明は通用しない。

References

1. Amazon link: 岩波 理化学辞典 第5版: 使っているのは 4 版ですが 5 版を紹介しています。
2. 平衡定数の単位について. Link.
3. Amazon link: 平尾, 加藤 1988a. 化学の基礎 分子論的アプローチ
4. 哲猫. 化学平衡. 高2理系化学夏期講習テキスト 2009. Pdf file: Last access 2018/01/24.

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