概要[編集]ルシャトリエの原理の内容は次の通りである[1]。平衡状態にある反応系において、状態変数(温度、圧力(全圧)、反応に関与する物質の分圧や濃度)を変化させると、その変化を相殺する方向へ平衡は移動する。反応温度を上げた場合、平衡は反応熱を吸収して反応温度を下げる方向へ移動する。反応温度を下げた場合、平衡は反応熱を発生させて反応温度を上げる方向へ移動する。気体の反応において全圧を上げた場合、平衡は気体分子の数を減らして圧力を下げる方向へ移動する。全圧を下げた場合、平衡は気体分子の数を増やして圧力を上げる方向へ移動する。反応に関与しているある物質の分圧や濃度を上げた場合、平衡はその物質を消費して分圧や濃度を下げる方向へ移動する。反応に関与しているある物質の分圧や濃度を下げた場合、平衡はその物質を生成して分圧や濃度を上げる方向へ移動する。2NH_{3}+92.2kJ}}}の反応について考える。{H_{2}}}}^{3}}}}と表される。H}{RT^{2}}}}となる。この式をファントホッフの式という[2]。反応温度による平衡の移動についてはファント・ホッフによってル・シャトリエよりも早く平衡移動の原理として考察されていた[3]。この式によれば反応エンタルピーが正(吸熱反応)ならば、反応温度が上昇すると平衡定数は増加し、生成物への移行がより有利になる。逆に反応エンタルピーが負(発熱反応)ならば、反応温度が上昇すると平衡定数は減少し、原料への逆反応がより有利になる。アンモニアの生成反応は発熱反応、すなわち反応エンタルピーは負の反応である。よってファントホッフの式により反応温度が上昇すると平衡定数は減少し、吸熱方向の反応である原料への逆反応が有利となる。このようにしてルシャトリエの原理が説明できる。一定容積下で温度を変化させた場合には全圧が変化するため、それによる平衡の移動と競合することになりルシャトリエの原理によって平衡の移動する方向を予想できなくなることがある。全圧による平衡の移動[編集]反応系を加圧もしくは減圧して全圧をa倍にすることを考える。{H_{2}}}}^{3}}}}となる。小さくなって平衡が崩れる。そのため分母を減らして分子を増やす方向、すなわちアンモニアが生成する方向へ反応が進行する。大きくなって平衡が崩れる。そのため分母を増やして分子を減らす方向、すなわちアンモニアが原料に戻る方向へ反応が進行する。一般の気体の反応においてaの指数は(反応式の生成系の分子数)-(反応式の反応系の分子数)となる。よって加圧した場合はいずれにせよ分子数の少ない側へ平衡が移動し、減圧した場合分子数の多い側へ平衡が移動することになる。このようにしてルシャトリエの原理が説明できる。分圧、濃度による平衡の移動[編集]平衡状態となっているこの系に、水素やアンモニアの分圧、温度を変化させずに、窒素を加えて窒素の分圧を増やしてやると平衡定数の式の右辺の分母が大きくなって平衡状態が崩れる。すると分母を減らし分子を増やす方向、すなわち窒素を消費してアンモニアを増やす方向へ平衡が移動し、再び等号が成立する。このようにしてルシャトリエの原理が正しいことが説明できる。反応系の全圧を一定に保ったまま窒素を加えた場合、窒素の分圧は増えるが水素の分圧が減少するため、分母は必ずしも大きくなるとは限らない。このように2つ以上物質の分圧や濃度を同時に変化させてしまった場合には単純にルシャトリエの原理から平衡の移動する方向を予想することはできないので注意する必要がある。