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多くの化学反応は一方向に完全には終わらず、正反応と逆反応が同時に起こりながら平衡と呼ばれる状態に落ち着きます。
ル・シャトリエの原理は、平衡状態に濃度、温度、圧力などの変化を加えると、その変化を打ち消す方向へ平衡が移動するという原理です。例えば反応物を追加すると、平衡はその反応物を消費する方向、つまり正反応の方向へ移動し、新しい平衡を作ります。
熱を放出する発熱反応では、温度を上げると平衡は熱を吸収する逆反応の方向へ移動して生成物の量が減り、逆に温度を下げると正反応の方向へ移動します。これは温度変化そのものを熱の出入りと見なし、その影響を打ち消す方向へ平衡が動くためです。
反応物の濃度を高めると、平衡はその反応物を消費して生成物をより多く作る方向へ移動し、生成物の濃度を下げる(取り除き続ける)と、反応は正反応の方向へ進み続けます。この原理のため、工業的に望む生成物を多く得るために反応物を過剰に加えたり、生成物を取り除き続ける方法が使われます。
気体が関わる反応では、圧力を高めると平衡は気体分子の数がより少ない方向へ移動して体積(圧力)を減らそうとし、圧力を下げると気体分子の数がより多い方向へ移動します。これは圧力変化という外部からの刺激を打ち消す方向へ平衡が移動するという、ル・シャトリエの原理のもう一つの例です。
平衡定数Kは、一定の温度で平衡に達したときの生成物と反応物の濃度比を示す値で、その反応がどれだけ生成物側へ進みやすいかを表します。K値が非常に大きければ平衡で生成物が大部分を占め、逆に非常に小さければ反応物がほとんどそのまま残っているという意味です。
炭酸飲料のボトルの蓋を閉じておくと、ボトルの中の二酸化炭素気体と水に溶けた二酸化炭素の間で平衡が保たれますが、蓋を開けて圧力を下げると平衡が崩れ、気体が抜け出て泡が立ち上ります。私たちの体の中でヘモグロビンが酸素と結合したり離れたりする過程も、化学平衡の原理に従う生体反応です。
多くの化学反応は一方向に完全に終わるのではなく、正反応と逆反応が同時に起こりながら平衡と呼ばれる状態にとどまります。化学平衡の原理を知れば、炭酸飲料の泡から産業工程で生成物をできるだけ多く得る方法まで幅広く理解できます。
平衡に影響を与える濃度はモル濃度として正確に表現されます。モルとモル濃度の基本的な計算方法は、この内容と合わせて理解しておく価値がある関連トピックです。
いいえ、反応は続いています。ただ正反応と逆反応の速度が同じになり、反応物と生成物の濃度がこれ以上変化していないように見えるだけなので、これを動的平衡と呼びます。
いいえ、触媒は正反応と逆反応の速度を同じ割合で速めるだけなので、平衡により早く到達させるだけで、平衡状態での濃度比(平衡定数)は変えません。