はじめに

このページでは、ルシャトリエの原理について、具体例を挙げながら1つ1つ丁寧に解説していく。大学入試でも頻出の分野なので必ず理解しておくようにしよう。


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ルシャトリエの原理とは

平衡状態にある可逆反応の条件を変化させるとその変化を和らげる方向に平衡が移動する。

これを「ルシャトリエの原理」という。

次の反応を例に詳しく説明していこう。

\[
N_{2}+3H_{2}⇄2NH_{3}+92kJ
\]

この反応が平衡状態に達しているとき、次の操作を行うとどのような変化が起こるだろうか。

操作1「窒素(N2)を加える。」

繰り返すが、ルシャトリエの原理によると「条件を変化させるとその変化を和らげる方向に平衡が移動」する。したがって、N2を加えるという操作を行うと、「N2を減らす方向」に平衡が移動する。

\[
N_{2}+3H_{2}\color{#dc143c}{ → }2NH_{3}+92kJ
\]

この反応だと式の左側にN2があるので、N2を減らす方向、つまり「右向き」に平衡が移動する。

操作2「水素(H2)を除去する」

H2を除去すると、「H2を増やす方向」に平衡が移動する。

\[
N_{2}+3H_{2}\color{#dc143c}{ ← }2NH_{3}+92kJ
\]

この反応だと、左向きに移動する。

条件による平衡の移動

上で紹介した2つ以外にも、いろいろなパターンを考えてみよう。
ここからも引き続きこの反応を例に説明していく。

\[
N_{2}+3H_{2}⇄2NH_{3}+92kJ
\]

温度変化

温度が変化すると、平衡が移動する。

温度を上げる

温度を上げると、ルシャトリエの原理に従い「温度を下げる方向」に平衡が移動する。

\[
N_{2}+3H_{2}⇄2NH_{3}\color{#dc143c}{ +92kJ }
\]

この反応は、反応式の後ろに「+92kJ」が付いている。「+」ということは「発熱反応」なわけだから、「右側に行く反応(→)=温度を上げる反応」ということになる。従って、温度を下げる反応は、逆の左側に行く反応(←)なので、温度を上げると平衡は左側に移動する。

\[
N_{2}+3H_{2}\color{#dc143c}{ ← }2NH_{3}+92kJ
\]

温度を下げる

温度を下げると、ルシャトリエの原理に従い「温度を上げる方向」に平衡が移動する。
上で説明したように、この反応は右側に行く反応(→)が発熱反応(温度を上げる反応)なので、平衡は右方向に移動する。

\[
N_{2}+3H_{2}\color{#dc143c}{ → }2NH_{3}+92kJ
\]

圧力変化

圧力が変化すると、平衡が移動する。

圧力を上げる

圧力を上げると、ルシャトリエの原理に従い「圧力を下げる方向」に平衡が移動する。

圧力は「気体分子数が多いほど高くなる」。

今回の反応では、左側の方が気体分子数が多く圧力が高い。
従って、圧力を上げた場合、圧力の低い右側の方に平衡が移動する。

\[
N_{2}+3H_{2}\color{#dc143c}{ → }2NH_{3}+92kJ
\]

圧力を下げる

圧力を下げると、ルシャトリエの原理に従い「圧力を上げる方向」に反応が進行する。

\[
N_{2}+3H_{2}\color{#dc143c}{ ← }2NH_{3}+92kJ
\]

先ほど説明したように、左側の方が気体分子数が多く圧力が高いので、圧力を下げた場合、左方向へ平衡が移動する。

触媒を加える

触媒を加えると、「正反応と逆反応のスピードがともにUP」する。
しかし、スピードが上がるだけで「どちらかに平衡が移動することはない」。よく覚えておこう。

反応に関与しない物質を加えた場合

希ガスなどの「反応に直接関与しない物質」を加えた場合、少し注意が必要だ。

「反応に直接関与しない物質は基本ムシ」という視点で考えていこう。

圧力一定で希ガスを加える

圧力一定で希ガスを入れたとき、希ガスの分だけ体積が増加する。

容器内にある希ガスArはムシするが、希ガスによって大きくなった体積はムシすることができない。
体積が増加したということは、「体積に対する気体の量が少なくなった」と考えることができるので、この反応は、気体分子を増やす方向つまり左方向に反応が進む。

\[
N_{2}+3H_{2}\color{#dc143c}{ ← }2NH_{3}+92kJ
\]

体積一定で希ガスを加える

体積一定で希ガスを加えると、当然体積変化は起こらない。

体積になんの変化もなく、(最初に述べたように)希ガスは”ムシ”できるので、この場合は「なにも起きていないのと同じ」ということになるね。

”何も起きていない”ので、当然平衡の移動も起こらない。

演習問題

問題

下の可逆反応はすべて、平衡状態にある。()内の操作を行ったとき、平衡はどちらに移動するか判断しなさい。(「右」「左」「どちらにも移動しない」のいずれかで解答)
(1)H2+I2=2HI+92kJ(I2を加える)
(2)N2+3H2=2NH3+92kJ(温度を下げる)
(3)4NH3+5O2=4NO+6H2O+906kJ(加圧する)
(4)N2+O2=2NO+181kJ(NOを加える)
(5)2SO2+O2=2SO3+197kJ(体積一定でArを加える)

(1)

\[
H_{2}+I_{2}=2HI+92kJ
\]

I2を加えると、ルシャトリエの原理により「I2を減らす方向」に平衡が移動する。従って右(→)。

(2)

\[
N_{2}+3H_{2}=2NH_{3}+92kJ
\]

温度を下げると、ルシャトリエの原理により「温度を上げる方向」に平衡が移動する。この反応は発熱反応なので、右に行くほど熱が出る(=温度が上がる)。従って右(→)。

(3)

\[
4NH_{3}+5O_{2}=4NO+6H_{2}O+906kJ
\]

加圧する(圧力を加える)と、ルシャトリエの原理により「圧力を減らす方向」に平衡が移動する。この反応の左側は気体分子が9コ、右側は10コなので、左側の方が圧力が低い。従って、左(←)

(4)

\[
N_{2}+O_{2}=2NO+181kJ
\]

NOを加えると、ルシャトリエの原理により「NOを減らす方向」に平衡が移動する。従って、左(←)。

(5)

\[
2SO_{2}+O_{2}=2SO_{3}+197kJ
\]

体積一定でAr(アルゴン/希ガスの1つ)を加えても、(希ガスは基本的にムシするので)平衡は移動しない。

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