르샤틀리에의 원리 — 평형 이동 읽기

평형은 Q = K인 자리였습니다. 그런데 그 상태에 농도나 압력, 온도 변화를 주면 Q와 K가 어긋나며 계가 새 평형으로 이동합니다. 어떤 방향으로 이동할지를 정성적으로 읽는 도구가 르샤틀리에의 원리입니다.

변화의 영향을 줄이는 방향#

평형 상태의 계에 외부 자극이 가해지면 계는 그 변화의 영향을 부분적으로 줄이는 방향으로 이동합니다. 변화를 완전히 없애지는 못하고, 흔든 양의 일부만 흡수하면서 새 평형에 자리 잡습니다.

농도와 압력 변화는 주로 반응 지수 Q를 흔들어 평형 위치를 옮기고, 온도 변화는 평형 상수 K 자체를 바꾼다는 점에서 성격이 다릅니다. 촉매는 평형 위치를 옮기지 않습니다.

농도와 압력 효과#

반응물을 더 넣으면 계는 그 반응물을 소비하는 정반응 쪽으로 이동합니다. 생성물을 제거하면 그것을 다시 만드는 정반응 쪽으로 이동합니다.

기체 반응에서 압력을 높이거나 부피를 줄이면 계는 기체 몰수가 더 적은 쪽으로 이동해 압력을 일부 낮춥니다. 양쪽 기체 몰수가 같으면 압력 변화로는 평형이 이동하지 않습니다.

온도는 K를 바꾸는 자극#

온도 효과는 열을 반응식의 한쪽에 적어 두면 직관적으로 읽을 수 있습니다. 발열 반응은 열을 생성물 쪽에, 흡열 반응은 열을 반응물 쪽에 놓습니다.

발열: 반응물 ⇌ 생성물 + 열

이 식을 가열한다는 것은 오른쪽에 열을 더 넣는 것과 같으므로, 계는 열을 소비하는 방향, 곧 역반응 쪽으로 이동합니다. 그 결과 발열 반응의 K는 작아집니다. 냉각하면 그 반대로 정반응 쪽으로 이동하고 K는 커집니다. 농도·압력 효과와 달리 온도 변화는 K 자체를 바꾸는 자극이라는 점이 중요합니다.

촉매와 하버-보슈의 줄다리기#

촉매는 정반응과 역반응의 활성화 에너지를 같이 낮춥니다. 그래서 평형에 더 빨리 도달하게 만들지만, 평형 위치는 바꾸지 않고 도달 속도만 높입니다.

암모니아 합성 같은 산업 공정은 이 원리들을 동시에 활용합니다.

N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g) (발열)

기체 몰수는 왼쪽 4 mol, 오른쪽 2 mol이므로 압력을 높이면 암모니아 쪽으로 이동합니다. 발열 반응이라 온도를 낮추면 평형 수율에는 유리하지만 속도가 너무 느려져, 실제 공정에서는 적당한 온도와 높은 압력에 촉매를 더해 수율과 속도 사이의 줄다리기를 조절합니다. 르샤틀리에의 원리는 그 선택의 방향을 정성적으로 읽어 주는 언어입니다.