ルシャトリエの原理

鈴鹿高専2年生のMちゃんから化学の平衡移動に関する質問を受けました。
 初めて解くときには迷いやすい問題ですからぜひ正確(丁寧)に理解してください。

まず基本事項として圧力変化に関する平行移動の確認です。例として  $ N_2 + 3H_2 $ ⇔ $ 2NH_3 $ の反応が平衡状態にあるとき、圧力を小さくすると平衡が左右どちらに移動するでしょうか。

 平衡移動の原理は、濃度、圧力、温度などの条件を変化させると、その影響をやわらげる方向に平衡が移動します。つまり、圧力を小さくすればその逆である圧力が大きくなる(=気体分子の数を増やす)向きに反応が進みます。先ほどの化学反応式では左辺の分子数(係数)の合計は4(1+3)で右辺が2ですから、気体分子の数が増加する「左向き」に反応します。

 この応用としてアルゴンを加えたときの平衡移動を問う2種類の問題があります。1つは『体積一定』で、もう1つは『圧力一定』でアルゴンを加えたときにそれぞれ平衡がどちらに移動するかというものです。

 まず、アルゴンを加える前の圧力(全圧)=3種類の気体($ N_2 , H_2 , NH_3 $)の分圧の和になっています。そこへ『体積一定』のもとでアルゴンを加えると同じ体積のなかにある気体の分子数が増え、アルゴンの分圧分だけ全圧が大きくなりますが3種類の気体の分圧は変化しません。ですから平衡は移動しないが答えになります。

 それに対して『圧力(全圧)一定』の条件でアルゴンを加えるとアルゴンの分圧分だけ3種類の気体の分圧の合計は小さくなってしまいます。これは減圧したことと同じであり、圧力を大きくする(=気体分子の数を増やす)ために平衡は左向きに移動します。“圧力一定”という表現に惑わされないよう注意が必要ですね。

 感覚として、体積一定といっても3種類の気体分子はもともとスカスカの状態で飛び回っているためアルゴン原子が加わったぐらいでは何ら影響を受けません。一方、圧力一定というのは自由に動けるピストンをイメージしてください。アルゴンを加わえるとその分ピストンが動いて体積が増えます。そうすると、もともとの気体にとっては体積が大きくなったために圧力が変化(減少)してしまうわけです。この2つの違いは丸暗記ではなく理解しておいてほしい内容です。

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