ルシャトリエの原理（濃度・圧力）

ルシャトリエの原理を述べ、物質の濃度を変えたときや、体積を変えて圧力を変えたときに、気体分子の総数（係数の和）をもとに平衡が移動する向きを判定できる（固体は数えない）

前提

平衡定数の意味と変化する条件（高校化学化学平衡（知識））

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原子・分子と化学式（中学理科化学分野の用語と知識）
原子量・分子量・式量（高校化学物質量と化学反応式）
物質量と質量・粒子の数（高校化学物質量と化学反応式）
気体の体積と物質量（高校化学物質量と化学反応式）
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反応速度の表し方（高校化学反応速度（知識））
可逆反応と化学平衡の状態（高校化学化学平衡（知識））
平衡定数の意味と変化する条件（高校化学化学平衡（知識））

説明

ルシャトリエの原理（平衡移動の原理）とは、「平衡状態にある反応で条件を変えると、その変化をやわらげる向きに平衡が移動する」という法則です。この技能では、物質の濃度を変えたときと、温度を一定にして体積を変えることで圧力を変えたときに、平衡が右（生成物側）と左（反応物側）のどちらへ移動するかを判定します。圧力については、両辺の気体分子の係数の和を比べるだけで判定でき、固体（や液体）の係数は数えません。

なぜそうしてよいのか

平衡状態では、比 $\frac{[ C ] ^{c} [ D ] ^{d}}{[ A ] ^{a} [ B ] ^{b}}$ が平衡定数 $K$ に等しくなっています。温度が一定なら $K$ は変わらないので、条件を変えてこの比が $K$ からずれると、比が $K$ に戻る向きに反応が進みます。これが「平衡の移動」です。たとえば反応物 $A$ を加えると分母が大きくなり比が $K$ より小さくなるので、分子（生成物）を増やし分母（反応物）を減らす向き、つまり右へ反応が進みます。結果として加えた $A$ の一部が消費され、「 $A$ が増えた」という変化がやわらげられます。逆に、ある物質を取り除けば、それを補う向きに移動します。

圧力も同じように考えられます。 $N_{2} + 3 H_{2} ⇄ 2N H_{3}$ の平衡で、温度を一定に保って体積を半分にすると、気体はすべて濃度が 2 倍になります。このとき比 $\frac{[ N H _{3} ] ^{2}}{[ N _{2} ] [ H _{2} ] ^{3}}$ は分子が $2^{2}$ 倍、分母が $2^{1 + 3}$ 倍になり、全体で $\frac{2 ^{2}}{2 ^{4}} = \frac{1}{4}$ 倍と $K$ より小さくなります。そこで比を大きくする向き、つまり右へ反応が進みます。右向きでは気体分子 4 個が 2 個になるので、容器内の気体分子の総数が減り、圧力の増加がやわらげられます。一般に、圧力を高くすると気体分子の総数（係数の和）が減る向きへ、圧力を低くすると増える向きへ平衡が移動します。両辺の気体の係数の和が等しい反応では、比の分子と分母が同じ倍率で変わるので比は $K$ のままで、平衡は移動しません。

固体は、その量を増やしても減らしても濃度が変わらないものとして扱い、平衡定数の式に入れません。そのため、圧力による移動を考えるときも、固体の係数は数えず、気体の係数だけを比べます。

手順

反応式で、どの物質が気体で、どの物質が固体（または液体）かを確認する
濃度を変えた場合: 物質を加えたらその物質を減らす（消費する）向き、取り除いたらその物質を増やす向きに平衡が移動すると判定する
圧力（体積）を変えた場合: 左辺と右辺の気体の係数の和を数える（固体・液体は数えない）
圧力を高くした（体積を小さくした）ら係数の和が小さい側へ、圧力を低くした（体積を大きくした）ら係数の和が大きい側へ移動すると判定する。両辺の和が等しければ移動しない

例題

次のア〜エの可逆反応がそれぞれ平衡状態にある。温度を一定に保ったまま、容器の体積を小さくして圧力を高くしたとき、平衡が右に移動するものとして正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。ただし、ウの $C$ は固体（黒鉛）であり、ほかの物質はすべて気体である。

ア　 $H_{2} + I_{2} ⇄ 2HI$
イ　 $N_{2} + 3 H_{2} ⇄ 2N H_{3}$
ウ　 $C + C O_{2} ⇄ 2CO$
エ　 $N_{2} O_{4} ⇄ 2N O_{2}$

例題の解答

手順1: ウの $C$ だけが固体で、ほかはすべて気体である。

手順2: 濃度の変化ではないので、この手順は使わない。

手順3: 各反応で、気体の係数の和を（左辺）→（右辺）の順に数える。
- ア: $1 + 1 = 2$ → $2$
- イ: $1 + 3 = 4$ → $2$
- ウ: $C$ は固体なので数えず $1$ → $2$
- エ: $1$ → $2$

手順4: 圧力を高くすると、気体の係数の和が小さい側へ移動する。
- ア: 両辺とも 2 なので移動しない。
- イ: 右辺のほうが小さい（4 → 2）ので右へ移動する。
- ウ: 左辺のほうが小さい（1 → 2）ので左へ移動する。
- エ: 左辺のほうが小さい（1 → 2）ので左へ移動する。

よって右に移動するのはイ。

答え:

イ

よくある誤り

固体の係数まで数えてしまう誤り。 $C$ が固体である $C + C O_{2} ⇄ 2CO$ で、左辺を $1 + 1 = 2$ と数えると「両辺とも 2 なので移動しない」となってしまう。正しくは固体の $C$ を数えず、左辺 1、右辺 2 なので、圧力を高くすると左へ移動する
両辺の気体の係数の和が等しい反応でも、圧力を高くすると平衡が移動するとしてしまう誤り。 $H_{2} + I_{2} ⇄ 2HI$ では体積を半分にすると比 $\frac{[ HI ] ^{2}}{[ H _{2} ] [ I _{2} ]}$ が $\frac{2 ^{2}}{2 \times 2} = 1$ 倍で $K$ のままなので、正しくは平衡は移動しない
物質を加えると、その物質が増える向きに平衡が移動するとしてしまう誤り。 $N_{2} + 3 H_{2} ⇄ 2N H_{3}$ に $H_{2}$ を加えたとき、正しくは加えた $H_{2}$ を消費する右向きに移動する（ $N H_{3}$ が増える）
平衡が移動すれば、加えた物質の濃度はもとの値まで完全に戻るとしてしまう誤り。正しくは変化を「やわらげる」だけで、 $H_{2}$ を加えた後の新しい平衡状態での $[H_{2}]$ は、加える前の平衡状態での値よりは大きいままである

この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。

入口の問題

難易度 1（教科書の例題レベル）
次のア〜オの可逆反応が、それぞれ密閉容器の中で平衡状態にある。温度を一定に保ったまま容器の体積を小さくして全体の圧力を高くしたとき、平衡が右向き（生成物が増える向き）に移動するものを、次のア〜オからすべて選べ。ただし、 $(s)$ を付けた物質は固体で、それ以外の物質はすべて気体である。
- ア　 $N_{2} + 3 H_{2} ⇄ 2 N H_{3}$
- イ　 $H_{2} + I_{2} ⇄ 2 HI$
- ウ　 $N_{2} O_{4} ⇄ 2 N O_{2}$
- エ　 $2 S O_{2} + O_{2} ⇄ 2 S O_{3}$
- オ　 $C (s) + C O_{2} ⇄ 2 CO$

この技能を使う問題

	a	b
ア	大きくなる	大きくなる
イ	大きくなる	小さくなる
ウ	変わらない	大きくなる
エ	変わらない	小さくなる
オ	小さくなる	変わらない

この技能の次に学べること

温度・触媒と平衡の移動（高校化学化学平衡（知識））
反応に関係しない気体の追加（高校化学化学平衡（知識））
弱酸・弱塩基の電離平衡と電離度（高校化学化学平衡（知識））