르 샤틀리에(Le Chatelier)의 원리. 부피/압력 변화

르 샤틀리에(Le Chatelier)의 원리. 부피/압력 변화

 

 

 

B. 부피/압력의 변화: 기체 분자를 포함하는 평형 계

 

액체/고체는 거의 압축되지 않기 때문에,

부피/압력 변화에 영향을 받지 않는다.

 

따라서 기체를 포함하는 평형 계에서 부피/압력이 변할 때,

반응이 어느 방향으로 일어나는지에 대해 살펴보도록 하겠다.

 

 

 

이때 2가지 경우를 생각해 볼 수 있다.

 

[1] 부피(압력)가 변하면, 압력(부피)도 따라 변하는 경우

⇨ 일반적인 경우이며, 보일의 법칙을 만족하는 경우이다.(PV = k)

 

[2] 부피가 고정되어 있을 경우

⇨ 가령, 반응 용기가 강철 용기라면, 압력이 변해도 부피는 변하지 않는다.

 

 

---------------------------------------------------

 

 

[1] 부피(압력)가 변하면, 압력(부피)도 따라 변하는 경우

 

먼저, 부피를 변화시켰을 때 반응 진행 방향을 정리하면,

① 부피 감소: 기체 전체 몰수가 감소하는 방향으로 반응 진행

② 부피 증가: 기체 전체 몰수가 증가하는 방향으로 반응 진행

 

 

르 샤틀리에의 원리에 따라, 단순히 생각하면,

부피를 감소시키면, 부피가 증가하는 방향으로 반응이 일어나야하기 때문에,

기체 전체 몰수가 증가하는 방향으로 반응이 일어나야하는데...

왜? 기체의 부피는 기체의 몰수에 비례하니까, (Avogadro의 법칙: V ∝ n)

그런데, 반.대.네?

 

 

르 샤틀리에의 원리를 과학적으로 이해하지 않고,

단순히 하나의 문장으로 암기했을 경우, 빠질 수 있는 함정이다.

 

 

 

피스톤이 달린 원통이 반응 용기일 때, 다음 반응에서

 

 

 

 

피스톤을 아래로 누르면,

 

 

 

 

압력은 증가, 부피는 감소할 것이다.

이때 전체 농도는 어떻게 될까? 증가할까? 감소할까?

 

 

 

300x250

 

 

 

의 관계로부터,

부피가 감소하면, 전체 농도는 증가할 것이다.

그.런.데 ...

 

 

이 반응의 평형 상수식을 보면,

 

 

 

 

반응물은 그냥 증가하지만, 생성물은 제곱으로 증가한다.

따라서 부피를 감소시키면, 생성물을 첨가한 효과가 나타나,

역방향으로 반응이 일어나는 것이다.

즉, 전체 몰수가 감소하는 방향으로 반응이 진행된다.

 

 

 

 

다음으로, 압력을 변화시켰을 때 반응 진행 방향을 정리하면,

① 압력 증가: 기체 전체 몰수가 감소하는 방향으로 반응 진행

② 압력 감소: 기체 전체 몰수가 증가하는 방향으로 반응 진행

 

 

보일의 법칙에 따라, 기체의 압력과 부피는 서로 반비례하기 때문에,

압력이 변할 때 반응 진행 반향은 부피의 경우와 반대이다.

가령, 압력을 증가시키면, 부피가 감소하기 때문에,

반응은 기체 전체 몰수가 감소하는 방향으로 일어난다.

 

 

 

 

[핵심포인트. 팁]

부피/압력 변화는 “압력 변화를 기준”삼아 평형 이동 방향을 판단한다.

 

 

압력은 기체 분자 운동(= 충돌)의 결과물이므로,

( 참고 https://ywpop.tistory.com/3750 )

압력은 기체 분자 몰수(n)에 비례한다.

 

 

예를 들어, N2 + 3H2 ⇌ 2NH3 반응에서,

 

(1) 만약 압력을 증가시키면,

르샤틀리에 원리에 따라 압력이 감소되어야 하므로,

( 압력 증가 ⇨ 르 샤틀리에 원리 ⇨ 압력 감소 )

기체 분자 몰수가 감소하는 방향, 즉 정반응이 일어난다.

 

(2) 만약 부피를 증가시키면,

압력과 부피는 반비례하므로,

압력을 감소시킨 것과 같으므로,

( 압력 감소 ⇨ 르 샤틀리에 원리 ⇨ 압력 증가 )

기체 분자 몰수가 증가하는 방향, 즉 역반응이 일어난다.

---> “부피 변화 문제는 압력 변화로 바꿔” 풀이한다.

 

 

 

 

[ A. 농도 변화 https://ywpop.tistory.com/2685 ]

[ B. 부피/압력 변화(1) https://ywpop.tistory.com/2686 ] PV = k

[ B. 부피/압력 변화(2) https://ywpop.tistory.com/2690 ] 강철 용기. 비활성 기체

[ C. 온도 변화 https://ywpop.tistory.com/2691 ]

 

[ 르샤틀리에의 원리 종합 예제 https://ywpop.tistory.com/12328 ]

 

 

---------------------------------------------------

 

 

※ 기체상 반응이라도, 다음 경우처럼,

기체의 몰수 변화가 없을 때에는,

즉 반응물의 몰수와 생성물의 몰수가 같다면,

평형은 부피/압력 변화에 영향을 받지 않는다.

 

 

 

---------------------------------------------------

 

 

예제) 다음 평형 계에서, 부피를 감소시키면, 즉 압력을 증가시키면,

반응은 어느 방향으로 진행될까?

 

 

 

답) “압력 증가 ⇨ 르 샤틀리에 원리 ⇨ 압력 감소” 이므로,

기체 전체 몰수가 감소하는 방향으로, 즉 정반응이 일어난다.

[ 관련 예제 https://ywpop.tistory.com/18922 ] 암모니아 합성

 

해설) 공장에서 암모니아를 합성(Haber process)할 때,

고압에서 반응시키는 이유.

 

 

 

 

[ 관련 예제 https://ywpop.tistory.com/8349 ] 헬륨 첨가로 인한 부피 증가 시

 

 

 

[키워드] 르샤틀리에 기준문서, 르샤틀리에 원리 기준문서, 르샤틀리에의 원리 기준문서, 르샤틀리에 사전, 르샤틀리에 원리 사전, 르샤틀리에의 원리 사전