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ルシャトリエの原理を理解する

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ルシャトリエの原理を理解する


化学平衡とは

可逆反応において、正反応と逆反応の反応速度がつりあって、反応物と生成物の組成比が全体としては変化しなくなる状態のことを化学平衡といいます。

化学反応が化学平衡の状態にあれば、正反応と逆反応の速度がつりあって、見かけ上は化学反応が進みません。

平衡状態
aA + bB ⇔ cC + dD が成り立つとき、

平衡状態における反応物のモル濃度積を分母とし、
生成物モル濃度積を分子とした平衡状態の構成比を平衡定数と呼びます。

この平衡定数を表すとき、モル濃度の取り方の違いによって次のような3種類があります。

それぞれの分圧を PA~PD
容量モル濃度を CA~CD
モル分率を XA~XDとした場合、下式が成り立ちます。

1.圧力平衡定数

Kp = Pcc ・ PDd / P Aa ・ PBb

2.体積モル濃度平衡定数

Kc = Ccc ・ CDd / CAa ・ CBb

3.モル分率平衡定数

Kx=Xcc ・ XDd / XA a・ XBb


1.圧力平衡定数 Kp

気体ではモルと圧力は比例するので、各成分の分圧をPに物質名に添えて表した方式。

なお、圧力平衡定数Kpは全ての物質が理想気体の場合に成り立ちます。

このとき、理想気体の状態方程式pV=nRTは、pi=(ni/V)・R・T とも表される。

Kp = Pcc ・ PDd /P Aa ・ PBb


2.体積モル濃度平衡定数 Kc

濃度を体積モル濃度C〔mol/L〕で表した方式。

Kc = Ccc ・ CDd / CAa ・ CBb

3.モル分率平衡定数 Kx

濃度をモル分率xで表した場合、つまり各成分も全体もモルで表す方式。

Kx=Xcc ・ XDd / XA a・ XBb


一般に濃度が高くなると平衡定数は一定ではなくなるので、
濃度が高いときは濃度よりも活量を使用して計算します。

活量は有効濃度のようなものです。

ルシャトリエの原理とは

ルシャトリエの原理とは、「平衡状態にある系について、系のある状態量を変化させると、その変化の影響を相殺(緩和)する方向に平衡が移動し、新しい平衡状態になる」という原理のこと。

ルシャトリエの原理の例

ある物質の濃度を上げる
→ その物質の濃度が減る方向に反応が進む

系の圧力を高くする
→ 系の圧力が減る(分子数が減る)方向に反応が進む

系の温度を上げる
→ 吸熱して温度が下がる方向に反応が進む

つまり、ルシャトリエの原理とは、何かの変化がおきると、自然界ではそれを打ち消すような方向に反応が動くという原理です。

この原理は化学平衡だけでなく、気液平衡や溶解平衡など、化学変化をともなわない物理的な平衡にも当てはまる普遍的なものです。

化学反応を利用してある物質を効率的に製造したい場合、反応速度を上げるだけでなく、
化学平衡にあるような反応においては、ルシャトリエの原理を利用して有利な方向に移動させることも一つの手段です。