르 샤틀리에의 원리

물리화학 Physical Chemistry
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1. 개요2. 상세3. 여담

1. 개요

르 샤틀리에의 원리(Le Chatelier’s principle)

르 샤틀리에의 원리(Le Chatelier’s principle)는 화학 평형 상태에 있는 계(系)에 외부에서 농도·압력·온도 등의 변화를 가하면, 계는 그 변화를 부분적으로 상쇄하려는 방향으로 이동하여 새로운 평형 상태를 이루려 한다는 경험적 법칙이다.

제찰리에 원리(勒沙特列原理)라고도 한다.

화학 평형 뿐 아니라 물리·공학 전반의 평형 현상을 설명하는 데 자주 응용된다.

1884년 프랑스의 화학자 앙리 르 샤틀리에(Henry Le Chatelier)가 제안했다.

2. 상세

평형 상태에 있는 계에 온도·압력·부피·농도 등의 외부 변화(stress)를 주면,
그 변화가 유발한 방향(Le Chatelier’s stress)에 대응하여
평형이 그 변화를 일부 상쇄하는 방향으로 이동한다.

농도 변화

반응물 농도 증가 → 생성물 쪽으로 평형 이동

생성물 농도 증가 → 반응물 쪽으로 평형 이동

압력(부피) 변화

기체 반응에서 압력 증가(부피 감소) → 분자수 적은 쪽으로 이동

압력 감소(부피 증가) → 분자수 많은 쪽으로 이동

온도 변화

발열 반응(ΔH<0) 계: 온도 ↑ → 흡열(역반응) 쪽 이동

흡열 반응(ΔH>0) 계: 온도 ↑ → 발열(정반응) 쪽 이동

2. 수학적 해석
[math(ΔG=ΔG
∘

+RTlnQ,Q=

[반응물]
a

[...]

[제품]
c

[...]

)]

평형 상수
𝐾
K는 온도에 민감하므로 반응의 엔탈피 변화 ΔH와 반응 자유에너지 변화 ΔG를 이용해 반응 지향성을 해석할 수 있다.

Δ
𝐺
=
Δ
𝐺
∘
+
𝑅
𝑇
ln
⁡
𝑄
,
𝑄
=
[
제품
]
𝑐
[
.
.
.
]
𝑑
[
반응물
]
𝑎
[
.
.
.
]
𝑏
ΔG=ΔG
∘

+RTlnQ,Q=

[반응물]
a

[...]

[제품]
c

[...]

𝑄
<
𝐾
Q<K → 순정반응(→)

𝑄

𝐾
Q>K → 순역반응(←)

반응 계에 ∆를 가해
𝑄
Q가 변하면, 계는 다시
𝑄
=
𝐾
Q=K가 되도록 반응 방향을 조절한다.

3. 대표적 예시

변화 종류 가한 변화 평형 이동 방향 설명
농도 NO₂ 농도 ↑ → N₂O₄ 생성 쪽 반응물↑ → 생성물↑
압력 전체 압력 ↑ → 분자수 ↓ 쪽 분자수 많은 쪽 억제
온도 온도 ↑ (발열 반응) ← 역반응(흡열) 쪽 열을 흡수하는 방향으로 이동
4. 응용
화학 공정에서 수율 향상(예: 암모니아 합성 Haber–Bosch 공정)

대기 오염 물질(NOₓ, SOₓ) 평형 제어

생화학적 평형(효소 반응) 분석

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. 예를 들어 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.

르 샤틀리에의 원리

1. 개요

2. 상세

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