14.3
ルシャトリエの原理：濃度の変更
動的平衡状態にある系は、順方向と逆方向の反応が等しい速度で起こっています。平衡状態にある系が、これらの反応速度に異なる影響を与えるような条件の変化（外乱）を受けた場合、速度はもはや等しくなく、系は平衡状態ではありません。反応系は再び進行し（平衡シフト）、再び平衡状態になります。この現象は、ルシャトリ…
順方向反応の速度が逆反応の速度と等しい場合、システムは動的平衡状態にあります。反応はまだ両方向に進行していますが、反応物と生成物の正味濃度は一定のままです。
この時点で、反応物や生成物の濃度が変化すると、例えば分子Aを追加したり、分子Cを除去したりすると、平衡が乱れます。このような変更は、システムに対するストレスです。
ル・シャトリエの原理によれば、濃度の変化、体積や圧力の変化、温度の変化などにより、平衡状態にある系に応力がかかると、平衡位置は応力を最小化し、平衡を回復する方向に移動します。
濃度の変化に対するシステムの応答を理解するために、接続された 2 つの水タンク A と B について考えてみます。最初は、2つのタンクの水位は等しく、システムは平衡状態にあります。次に、タンクBに水を追加します。
このストレスにより、タンクBの水位が上昇し、平衡が乱れます。このストレスを相殺するために、水の一部がタンクAに流れ込み、平衡状態を回復します。
逆に、タンクBから水を取り出すと、水位が下がることでストレスも引き起こされます。
その結果、タンクAの水がタンクBに流れ込み、平衡状態に戻ります。
平衡状態のシステムの場合、反応商は平衡定数に等しくなります。平衡混合物に反応物を追加すると、Qが減少します。ル・シャトリエの原理によれば、システムは平衡位置を生成物にシフトして追加された反応物を消費し、平衡を再確立することにより、この応力を最小限に抑えます。
同様に、平衡混合物から製品を取り除くと、平衡を回復するために同様の反応が得られます。
これに対して、製品を追加するとQが増加します。したがって、平衡位置は反応物に向かってシフトし、追加された生成物を消費して平衡を回復します。
濃度が変化すると、Kの値は変化せずに平衡位置がシフトします。
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Q1: What happens to an equilibrium system when you add more reactant?
Adding reactant decreases the reaction quotient (Q), causing the equilibrium to shift toward products. This shift consumes the added reactant and re-establishes equilibrium. The system minimizes the stress by expending the extra reactant molecules to restore balance between forward and reverse reaction rates.
Q2: How does removing a product affect a system at equilibrium?
Removing product decreases the reaction quotient, triggering a forward shift in equilibrium. The system responds by shifting toward products to replace the removed molecules and restore equilibrium. This shift consumes reactants and produces more product until balance is reestablished between reaction rates.
Q3: What is Le Châtelier's principle and how does it explain concentration changes?
Le Châtelier's principle states that when an equilibrium system is stressed by a concentration change, the system shifts to minimize that stress and restore equilibrium. The equilibrium position shifts in the direction that counteracts the stress, whether reactants or products are added or removed, without changing the equilibrium constant value.
Q4: Why does adding product to an equilibrium mixture cause a leftward shift?
Adding product increases the reaction quotient (Q) above the equilibrium constant (K), making Q greater than K. The system responds by shifting left toward reactants to consume the excess product and re-establish equilibrium. This leftward shift reduces product concentration back to its equilibrium value.
Q5: Does the equilibrium constant change when you alter the concentration of reactants or products?
No, the equilibrium constant remains unchanged when concentrations are altered. Although the equilibrium position shifts to a new composition, the value of K stays the same. Concentration changes shift equilibrium without affecting the fundamental relationship defined by the equilibrium constant expression.
Q6: How can you predict which direction an equilibrium will shift using the reaction quotient?
Compare the reaction quotient (Q) to the equilibrium constant (K). If Q is less than K, the equilibrium shifts right toward products. If Q is greater than K, the equilibrium shifts left toward reactants. This comparison allows you to predict the direction of shift before the system reaches equilibrium.
Q7: What is the difference between a stress on an equilibrium system and the system's response?
A stress is the change applied to the system, such as adding or removing a reactant or product. The response is the equilibrium shift that occurs afterward to counteract that stress. The system's shift continues until the forward and reverse reaction rates are equal again, restoring dynamic equilibrium.