高校 · 12分
ルシャトリエの原理：化学平衡の移動
温度・圧力・濃度・触媒が N₂O₄ ⇌ 2NO₂ の平衡に及ぼす影響を調べる。
目的
外乱への応答を予測し、平衡位置の変化と K の変化を区別する。
器具と試薬
N₂O₄/NO₂ 混合ガスの密封アンプル、温水浴と氷水浴、圧力変化の実演装置またはシミュレーション、保護めがね。
手順
- 基準の平衡を選び、N₂O₄ と NO₂ の量・色を確認する。
- 加熱・冷却を順に選ぶ。N₂O₄(g) → 2NO₂(g) の ΔH° = +57 kJ mol⁻¹ に基づいて移動方向を予測し、色を比べる。
- 圧縮を選ぶ。気体分子数の少ない側が有利になる理由を説明し、瞬間的な濃度上昇自体は平衡移動ではないことを区別する。
- N₂O₄ の添加と触媒の添加を比べ、K を変える操作と平衡到達時間だけを変える操作を述べる。
観察すること
- 加熱すると平衡で NO₂ が増えて褐色が濃くなり、冷却すると N₂O₄ が増えて色が薄くなる。触媒は平衡組成を変えない。
- 基準状態では褐色の NO₂ は少ない。加熱後は量が増え色も濃くなり、冷却後は薄くなり N₂O₄ が増える。
解説
正反応が吸熱なら、加熱は生成物側を有利にし K を増加させる。圧縮は気体 1 mol の左側を有利にするが、一定温度では K は変わらない。反応物の添加は右向きに進め、触媒は平衡を移動させず両方向を速める。
実験の歴史
1884 年、アンリ・ルイ・ルシャトリエは、ファント・ホッフらの先行観察を一般化し、平衡系は濃度・圧力・温度の変化に対し、その変化を相殺する向きにずれるという法則を立てた。加熱で濃くなり冷却で薄くなる の封管は、教室の定番教材となった。後にフリッツ・ハーバーは同じ原理に産業を賭け、高圧で からアンモニアを絞り出した。
ゆかりの化学者
バーチャル実験は直感をつかむための簡略化したモデルです。実際の実験や安全教育の代わりにはなりません。指導者なしに自宅で再現しないでください。