ルシャトリエの原理は、可逆反応が濃度、圧力、体積、または温度の変化を受けたあと、どちら向きに移動するかを予測する考え方です。すでに平衡にある系に外から変化を加えると、新しい平衡はその変化を部分的に打ち消す向きへ移る傾向があります。
これは方向を判断するための道具であって、計算機ではありません。平衡が左に移るか右に移るかはわかりますが、新しい平衡での正確な量まではわかりません。
平衡状態でも、正反応と逆反応はどちらも進んでいます。ただしその速さが等しいため、条件が変わらない限り、全体の組成は一定に保たれます。
平衡を移動させる変化とは
高校・初級化学で主に扱う外乱は、濃度、気体の圧力または体積、そして温度の変化です。それぞれに別の考え方が必要なので、予測する前にまず何が変わったのかをはっきりさせると役立ちます。
反応物を加えると、系はその一部を消費しようとするため、平衡は生成物側へ移動します。生成物を取り除くと、系は取り除かれた分を補おうとするため、この場合も平衡は生成物側へ移動します。
気体の平衡では、圧力や体積の変化が効くのは、左右で気体の全物質量が異なるときだけです。体積を小さくすると圧力は上がるので、平衡は気体の物質量が少ない側へ移動する傾向があります。両辺で気体の全物質量が同じなら、この近道では平衡は移動しないと判断します。
温度は特別な場合です。正反応が発熱反応なら、熱は生成物のようにふるまいます。正反応が吸熱反応なら、熱は反応物のようにふるまいます。したがって、温度を変えると、平衡でどちらの側が有利かが変わることがあります。
例題：ハーバー平衡を圧縮する
ハーバー法の平衡を考えます。
温度は一定のまま、容器を圧縮するとします。これは体積が減少し、圧力が上昇することを意味します。
ここで気体の物質量を数えます。左辺は mol の気体、右辺は mol の気体です。右へ移動すると気体粒子の数が減り、圧力上昇をやわらげることになるので、平衡はアンモニア 側へ移動します。
これが圧力に関する問題の基本パターンです。まず反応に気体が含まれていることを確認し、次に各辺の気体の全物質量を数え、そのあとで初めて移動方向を判断します。
ルシャトリエの原理でわからないこと
ルシャトリエの原理が教えてくれるのは、平衡の移動方向です。新しい平衡での正確な濃度、圧力、あるいは収率までは教えてくれません。
また、これは平衡計算の代わりにもなりません。問題が最終的な量を求めているなら、必要なのは平衡式や ICE 表のような道具であって、移動方向の判断だけでは不十分です。
平衡移動の問題でよくあるミス
位置と速さを混同する
触媒は通常、系が平衡に達するのを速くしますが、それだけで平衡を左や右に移動させることはありません。反応が速くなることと、平衡の位置が変わることを混同しやすいので注意が必要です。
使えない場面で圧力の近道を使う
圧力や体積の近道は、気体の平衡に対して使うものです。さらに、左右で気体の全物質量が異なっていなければなりません。気体の物質量が等しいなら、体積だけを変えても平衡移動は予測できません。
温度を単なる濃度変化のように扱う
温度が一定なら、濃度や圧力の変化は平衡定数を変えずに平衡の位置だけを動かします。温度はそれとは異なり、平衡定数そのものを変えることがあります。
平衡を「量が等しいこと」だと思う
平衡とは、正反応と逆反応の速さが等しいことです。反応物と生成物の量が等しいことではありません。
化学でルシャトリエの原理が使われる場面
化学者はルシャトリエの原理を、気相反応、酸塩基平衡、溶解度の問題、工業プロセスの設計などで使います。特に、詳しい計算をする前に、まず定性的に素早く予測したいときに有用です。
そのため、学習者向けの問題でもとても役立ちます。外乱の種類と反応条件を確認するだけで、誤った選択肢をすばやく除外できることがよくあります。
似た平衡移動を考えてみよう
次の反応を見てください。
温度一定で体積を減少させるとどうなるかを考えてみましょう。答える前に、左右それぞれの気体の物質量を数えてください。もう一つ確認したいなら、両辺で気体の物質量が同じ反応と比べてみると、なぜ圧力の近道が使えなくなるのかがわかります。