1. 개요
principe de Le Chatelier평형 법칙(Equilibrium Law)이라고도 한다. 가역 반응이 평형 상태에 있을 때 농도, 압력, 온도의 조건을 변화시키면 화학계는 그 변화를 감소시키는 방향으로 평형이 이동하여 새로운 평형에 도달한다는 원리이다.
2. 상세
프랑스의 화학자 앙리 루이 르 샤틀리에가 1884년 발표한 화학 평형에서의 법칙. 물질을 구성하고 있는 계에 압력, 온도, 농도 변화 등의 평형을 흔드는 충격이 주어지면 계의 안정성은 떨어지고 평형이 변하게 된다. 이 충격에 따라 계의 평형이 요동치거나 혹은 충격이 클 경우, 다른 상태의 평형으로 이동하게 된다. 이 때, 이동하는 화학적 평형은 계에 주어진 충격을 최대한 완화시키는 방향으로 이동하게 된다는 것이 이 법칙의 골자이다. 즉, 반응 물질의 농도의 증가가 이루어졌다면 반응 물질의 농도가 감소되는 방향으로 평형이 이동할 것이고, 온도가 증가하는 충격이 발생했다면 온도가 감소하는 방향으로 평형이 이동한다는 것. 참고로 평형 상수는 온도에 의해서만 변하므로 농도 및 압력 변화가 일어나도 평형 상수가 변하지 않는다.이러한 평형 상태 변화를 상쇄시키는 방향으로 평형이 이동하는 현상은 다른 분야에서도 많이 볼 수 있으며, 그 예시로 렌츠 법칙(물리학)과 항상성(생물학)이 있다.
3. 여담
본 원리가 적용된 대중에게 가장 유명하면서 가장 임팩트 있는 연구 성과로는 하버-보슈 공정이 손에 꼽힌다. 질소와 수소를 사용하여 암모니아를 만드는 물질 수지식은 다음과 같다.N2 + 3 H2 ↔ 2 NH3
단위 몰수로 볼 때 좌반항의 합(1+3) 보다는 우반항의 합(2)이 작으므로, 위에 기술된 반응은 암모니아를 생성할수록 압력이 감소된다.
프리츠 하버와 카를 보슈는 수소와 질소를 채운 용기의 압력을 극단적으로 올려 평형이 깨지도록 만드는 방법을 사용했는데, 르 샤틀리에의 원리에 따르면 새로운 평형은 주어진 충격인 압력 증가에 반대되는 방향으로 진행되어야 하므로, 압력을 올렸을 경우 본 반응의 평형은 우반항 쪽으로 이동하게 된다. 다시 말해,
수소와
질소를 넣고 압력을 올리면, 몰 수(화학 반응식에서의 계수)가 작아 시스템 압력을 낮출 수 있는
암모니아를 생성하는 쪽으로 평형을 유지하게 된다는 이야기이다.그리고 암모니아 합성은 발열 반응이므로 정반응을 진행시키려면 온도를 낮추어야 한다. 그러나 온도가 낮아지면 반응 속도는 느려지므로 촉매를 넣어서 반응을 빠르게 한다.
르 샤틀리에의 원리는 예외가 없는 원리지만 단일 반응에서만 적용된다. 예를들어 이산화탄소와 탄산염이 반응하여 중탄산염을 만드는 과정은 얼핏 보기에 르샤틀리에 원리와 반대로 가는 것처럼 보인다. 이산화탄소가 물과 반응하여 탄산염을 만드므로 이산화탄소가 들어가면 탄산염을 더 만들 것이라 예측하기 쉽지만 그 반대 현상이 일어난다. 단일 반응이 아니라서 pH가 낮아지는 효과를 고려해야 하기 때문이다. 많은 수의 반응들이 여러 단계를 거쳐 일어나며 다중평형을 이루므로 르 샤틀리에의 원리를 기계적으로 적용해서는 안된다.