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ルシャトリエの原理：温度の変更
質量作用の法則に従い、濃度の変化によって外乱を受けた平衡は、平衡定数Kの値が変化することなく、平衡を回復するために移動します。しかし、温度変化に応じて平衡が移動すると、異なる相対的な組成で平衡定数の値が変化するため、平衡が再構築されます。
この現象を理解するために、次の反応を考えます。
この反応は素…
温度は化学反応の速度に影響を与えるため、平衡状態での反応の温度変化は、システムにストレスとして作用します。ル・シャトリエの原理は、このような撹乱を最小限に抑えるためにシステムがどのように反応するかを予測します。
温度の変化は、Kの値を変化させずに平衡をシフトする濃度や体積の変化とは異なり、平衡定数の値を変化させます。
ガス状五塩化リンの三塩化リンと塩素ガスへの分解を考えてみましょう。この吸熱反応では、吸収された熱を反応物と考えることができます。
温度が上昇すると、反応物をさらに追加するのと同様に、システムに熱が追加されます。したがって、平衡位置は製品にシフトし、平衡定数Kの値が増加したため、余分な熱を消費するために三塩化リンと塩素をより多く生成します。
一方、温度が下がると、反応物が除去されるのと同様に、システムから熱が除去されます。平衡位置は反応物に向かってシフトし、Kの値が減少したため、熱を放出するためにより多くの五塩化リンを生成します。
二酸化硫黄と酸素の間の気体反応で三酸化硫黄を生成するような発熱反応の場合、放出される熱は生成物と考えることができます。
温度の上昇は、製品の追加と似ています。これにより、平衡位置が反応物に向かってシフトし、Kの値が減少したため、追加された熱の一部を吸収するために二酸化硫黄と酸素がより多くの生成されます。
逆に、この発熱反応の温度を下げると、生成物を取り除くように熱が取り除かれます。平衡位置は製品にシフトし、Kが増加するにつれて、より多くの三酸化硫黄を生成して熱を放出します。
したがって、温度の上昇は吸熱反応の生成物に有利に働き、温度の低下は発熱反応の生成物に有利になります。
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Q1: Why does temperature change affect the equilibrium constant differently than concentration changes?
Temperature changes alter the equilibrium constant value itself, whereas concentration changes shift equilibrium without changing K. This occurs because temperature affects the rate constants for both forward and reverse reactions through the Arrhenius equation. Since the rate constants vary with temperature, the equilibrium constant—which depends mathematically on these rate constants—also changes with temperature.
Q2: How does increasing temperature affect an endothermic reaction at equilibrium?
For endothermic reactions, heat is treated as a reactant. Increasing temperature adds heat to the system, similar to adding more reactant. The equilibrium shifts toward products to consume the extra heat, and the equilibrium constant K increases. This produces more products like phosphorus trichloride and chlorine in the decomposition of phosphorus pentachloride.
Q3: What happens to an exothermic reaction when temperature decreases?
For exothermic reactions, heat functions as a product. Decreasing temperature removes heat, similar to removing a product. The equilibrium shifts toward products to release heat and restore the removed energy, and K increases. This produces more sulfur trioxide in the reaction between sulfur dioxide and oxygen.
Q4: How can you predict which direction an equilibrium will shift with a temperature change?
Consider the reaction's enthalpy change. For endothermic reactions, increasing temperature favors products; decreasing temperature favors reactants. For exothermic reactions, the opposite occurs: increasing temperature favors reactants, while decreasing temperature favors products. This prediction follows from treating heat as either a reactant or product depending on reaction type.
Q5: Why does decreasing temperature shift an exothermic equilibrium toward products?
In exothermic reactions, heat is a product. Removing heat by decreasing temperature is like removing a product, causing the equilibrium to shift right toward products. This shift produces more products to release additional heat and counteract the temperature decrease, while the equilibrium constant K increases.
Q6: How does temperature change differ from volume or pressure changes in affecting equilibrium?
Temperature changes alter the equilibrium constant value, while volume or pressure changes shift equilibrium without changing K. This fundamental difference occurs because temperature affects the rate constants underlying K through the Arrhenius equation. Understanding this distinction is essential for predicting how equilibrium systems respond to different stresses.
Q7: What role does the equilibrium constant play when temperature changes?
The equilibrium constant K is a mathematical function of the forward and reverse rate constants. Since temperature changes affect these rate constants differently through the Arrhenius equation, K itself changes. A new equilibrium is established with a different K value and different relative composition of reactants and products compared to the original equilibrium.