르 샤틀리에의 원리

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.

1. 개요
2. 열역학적 설명
- 2.1. 명시적 설명
  - 2.1.1. 강제된 '구동' 변화, 자유 또는 고정된 '조절'
  - 2.1.2. 강제적으로 변화되거나 고정된 '구동', 각각 자유 또는 강제된 '조절'
3. 화학에서의 응용
4. 다른 분야에서의 응용
- 4.1. 경제학
- 4.2. 생물학
5. 관련 개념
6. 비평형 과정
참조

1. 개요

르 샤틀리에의 원리는 외부 조건의 변화에 대응하여 평형 상태에 있는 시스템이 그 변화를 완화하는 방향으로 반응한다는 원리이다. 이는 열역학적 평형 상태에 있는 시스템의 온도, 압력, 부피, 농도 등의 변화에 따른 예측 가능한 변화를 설명하며, 화학 반응, 기계 시스템, 경제학 등 다양한 분야에 적용된다. 화학 반응에서는 반응물 또는 생성물의 농도, 온도, 압력 변화에 따라 평형이 이동하며, 경제학에서는 가격 평형의 변동을 설명하는 데 사용된다. 르 샤틀리에 원리는 안정된 계가 외부의 영향을 받으면 그 영향을 줄이도록 스스로 조정된다는 일반적인 원리로, 자연과학 및 경제학 분야에서 널리 연구되고 있다.

더 읽어볼만한 페이지

항상성 - 내부 환경
내부 환경은 생명체가 외부 환경 변화에도 내부의 안정성을 유지하는 생리적 상태를 의미하며, 항상성 유지와 세포 통신 연구의 기초를 제공하고, 건강 유지 및 질병 관련 연구에 중요한 역할을 한다.
항상성 - 압력 수용기
압력 수용기는 혈압 변화를 감지하여 혈압 조절에 중요한 역할을 하는 신체 내 감각 수용기로, 동맥과 정맥, 심장 등에 위치하며 기능 장애는 혈압 조절 문제를 일으킬 수 있다.
평형화학 - 헤모글로빈
헤모글로빈은 척추동물 혈액에서 산소를 운반하는 주요 단백질로, 헴과 글로빈이 결합된 4개의 소단위체로 구성된 사량체 구조를 가지며, 헴의 철 성분이 산소와 결합하여 폐에서 조직으로 산소를, 조직에서 이산화탄소와 양성자를 운반하고, 산소 결합은 여러 요인에 의해 영향을 받으며, 유전자 돌연변이는 헤모글로빈병증을 유발하고, 농도와 기능은 질병 진단에 활용되며, 다양한 생물종에서 발견된다.
평형화학 - 해리 (화학)
해리는 분자, 복합체, 또는 이온이 더 작은 구성 요소로 분리되는 과정을 의미하며, 해리 상수는 화학 평형 상태에서 반응의 정도를 측정하는 데 사용된다.

르 샤틀리에의 원리
르 샤틀리에의 원리
다른 이름	르 샤틀리에-브라운의 원리
정의	화학 평형 상태에 있는 시스템에 외부 조건 변화가 가해지면, 시스템은 그 변화의 영향을 최소화하는 방향으로 새로운 평형을 이루는 경향이 있다는 원리이다.
주요 요인	온도 변화 압력 변화 농도 변화
적용 분야	화학 반응 예측 공업 화학 공정 최적화 생화학 반응 이해
역사
발견자	앙리 루이 르 샤틀리에
발표 년도	1884년
원리 설명
평형 이동	외부 조건 변화는 반응 속도에 영향을 주어 평형 상태를 이동시킨다.
온도 변화	흡열 반응: 온도 증가 시 정반응 촉진, 온도 감소 시 역반응 촉진 발열 반응: 온도 증가 시 역반응 촉진, 온도 감소 시 정반응 촉진
압력 변화	기체 반응: 압력 증가 시 기체 분자 수가 감소하는 방향으로 평형 이동
농도 변화	반응물 농도 증가 시 정반응 촉진, 생성물 농도 증가 시 역반응 촉진
적용 예시
하버-보슈법	고온, 고압 조건에서 질소와 수소로부터 암모니아를 합성하는 공정에 적용된다.
혈액의 pH 조절	호흡을 통해 혈액의 pH를 조절하는 데 적용된다.
용해 평형	고체 염이 물에 용해되는 과정에 적용된다.
오존층 파괴	오존과 산소 사이의 평형 이동에 영향을 미친다.
참고 자료
관련 링크	ThoughtCo: 르 샤틀리에의 원리 정의 Open Text BC: 르 샤틀리에의 원리 carnotcycle: 르 샤틀리에의 원리
추가 자료	Journal of Non-Equilibrium Thermodynamics: 르 샤틀리에-브라운 원리가 비평형 열역학에서 일반적인지 생물리학적 기반

2. 열역학적 설명

르 샤틀리에-브뢴 원리는 특정 외부 제어 상태 변수, 예를 들어 $L$ 이 $\Delta L$ 만큼 변화하는('구동 변화') 경우 열역학적 시스템의 정성적 거동을 분석하는데, 이는 그 켤레 상태 변수 $M$ 에서 $\delta_{\mathrm i} M$ ('주요 관심 대상의 반응')의 변화를 야기하고, 다른 모든 외부 제어 상태 변수는 일정하게 유지된다. 이 반응은 두 가지 관련 열역학적 평형에서 명확하게 나타나는 '조절'을 보여준다. 명백하게, $L$ , $M$ 중 하나는 강도량이어야 하고, 다른 하나는 크기량이어야 한다. 또한, 시나리오의 필수적인 부분으로서, 켤레 상태 변수 $Y$ 를 가진 특정 보조 '조절' 상태 변수 $X$ 가 있다. 이것이 관심의 대상이 되려면, '조절' 변수 $X$ 는 실험 프로토콜의 어떤 부분에서 $\Delta X \ne 0$ 또는 $\delta X \ne 0$ 의 변화를 겪어야 한다. 이것은 $\Delta Y$ 의 변화를 부과하거나, $Y$ 를 일정하게 유지함으로써( $\delta Y = 0$ 으로 표기) 이루어질 수 있다. 원리가 완전한 일반성을 갖도록 하려면, $M$ 이 그렇게 되는 것에 따라 $X$ 도 크기량 또는 강도량이어야 한다. 명백하게, 이 시나리오에 물리적 의미를 부여하려면, '구동' 변수와 '조절' 변수는 별도의 독립적인 실험적 제어와 측정의 대상이 되어야 한다.

르샤틀리에의 원리는 열역학적 평형 상태를 가리킨다. 열역학적 평형은 특정 기준을 만족하는 교란에 대해 안정적이다. 이것은 열역학적 평형의 정의에 필수적이다.

또는

이는 계의 온도, 압력, 부피 또는 농도의 변화가 새로운 평형 상태를 달성하기 위해 예측 가능하고 반대되는 계의 변화를 초래한다는 것을 의미한다.

이를 위해 열역학적 평형 상태는 가장 편리하게 기본 관계를 통해 설명된다. 이 관계는 에너지 종류 또는 엔트로피 종류의 상태의 기수 함수를 열역학적 조작을 통해 교란을 가할 수 있도록 선택된 상태 변수의 함수로 지정한다.^[11]^[13]^[12]

이론적으로 그리고 일부 실용적인 시나리오에서 거의 그렇지만, 어떤 물체는 거시적인 흐름과 화학 반응 속도가 0인 정상 상태(예: 적절한 촉매가 없을 때)에 있을 수 있지만, 준안정 또는 불안정하기 때문에 열역학적 평형 상태에 있지는 않다. 그러면 르샤틀리에의 원리가 반드시 적용되는 것은 아니다.

2. 1. 명시적 설명

이 원리는 형식적으로는 다르지만 실질적으로 동등하고, 어떤 의미에서는 서로 '상호 보완적인' 두 가지 방식으로 설명될 수 있다. 두 가지 방식은 맥스웰 관계식과 열역학 제2법칙에 따른 열역학적 평형의 안정성을 보여준다. 이는 부과된 변화에 대한 응답으로 시스템의 상태 변수들 사이의 에너지 확산으로 나타난다.

2. 1. 1. 강제된 '구동' 변화, 자유 또는 고정된 '조절'

이 방법은 부과된 변화

\Delta L

의 효과를 완화 작용이 있을 때와 없을 때 비교하기 위해

\mathcal {P}_{\mathrm i}

와

\mathcal {P}_{\mathrm n}

을 비교한다. 프로토콜

\mathcal {P}_{\mathrm n}

은

\Delta Y

조정을 통해

\Delta X = 0

을 강제함으로써 '완화 작용'을 방지하고, '비완화' 반응

\Delta M

을 관찰한다. 관찰된 반응이 실제로

\delta_{\mathrm i} X \ne 0

인 경우, 원리는

|\delta _{\mathrm i} M| < |\Delta M|

임을 나타낸다.

다시 말해, '완화' 상태 변수

X

의 변화는

L

의 구동 변화가 응답하는 공액 변수

M

에 미치는 영향을 완화한다.^[6]^[7]

2. 1. 2. 강제적으로 변화되거나 고정된 '구동', 각각 자유 또는 강제된 '조절'

이 방법은 또한 두 가지 실험적 프로토콜,

\mathcal{P}_{\mathrm i}

와

\mathcal{P}_{\mathrm f}

을 사용하여 지수 효과

\delta _{\mathrm i} M

를 '조절' 효과만의 효과

\delta _{\mathrm f} M

와 비교한다. '지수 프로토콜'

\mathcal{P}_{\mathrm i}

이 먼저 실행된다. 주요 관심 반응인

\delta _{\mathrm i} M

이 관찰되고, '조절' 변수의 반응

\Delta X

도 측정된다. 그 지식을 바탕으로, '고정된 구동 변수, 부과된 조절 프로토콜'

\mathcal{P}_{\mathrm f}

은

\Delta L = 0

을 강제로 적용하며, 구동 변수

L

은 고정된 상태로 유지된다. 이 프로토콜은 또한 조정

\Delta _{\mathrm f} Y

을 통해 '조절' 변수에 변화

\Delta X

(방금 전 측정에서 학습됨)를 부과하고, 변화

\delta _{\mathrm f} M

을 측정한다. '조절된' 반응이 실제로

\Delta X \ne 0

이라면, 르 샤틀리에의 원리는

\delta _{\mathrm i} M

과

\delta _{\mathrm f} M

의 부호가 반대라는 것을 나타낸다.

다시 말해, '조절' 상태 변수

X

의 변화는

L

의 구동 변화가 반응하는 공액 변수

M

에 미치는 영향에 반대한다.^[8]

3. 화학에서의 응용

화학 반응에서 반응물 또는 생성물의 농도 변화는 그 농도 변화를 상쇄하는 방향으로 평형을 이동시킨다. 예를 들어, 일산화탄소(CO)와 수소(H₂)가 반응하여 메탄올(CH₃OH)을 생성하는 반응을 생각해 보자.

: C O + 2 H₂ ⇌ CH₃OH

만약 이 반응에서 CO의 농도를 높이면, 르 샤틀리에의 원리에 따라 평형은 정반응 쪽으로 이동하여 CH₃OH 생성을 증가시킨다.

CO + 2H₂ ⇌ CH₃OH

우리가 계의 CO 농도를 높인다고 가정해보자. 르샤틀리에의 원리에 따라, 평형은 정반응으로 이동하여 CH₃OH의 양이 증가할 것임을 예측할 수 있다.

발열 과정에서의 온도 변화.

N₂ +3H₂ ⇌ 2NH₃

만약 온도가 증가한다면, 르샤틀리에의 원리에 의해 온도를 낮추기 위해, 흡열반응인 역반응을 시켜, N₂와 H₂를 더 많이 생성할 것이다. 그래서 암모니아 공정 과정에서는 NH₃를 많이 생산하기 위해 온도가 낮은 계에서 진행해야 하는데, 그러면 반응속도가 느려지기 때문에, 둘을 모두 고려한 온도에서 진행할 때 효율이 최대가 된다. 발열 반응에서, 온도의 증가는 정반응을 감소시키기 때문에 평형상수 (K)의 값은 감소한다. 그에 반해 흡열 반응에서의 온도증가는 정반응을 증가시켜서 평형상수 (K)의 값은 증가한다.

농도, 압력 등의 변화와 다르게 온도의 변화는 평형상수의 변화를 포함한다.

계의 부피를 변화시키는 것은, 반응물과 생성물들의 부분압력을 변화시키는 것이며, 그것은 평형 상태에 영향을 줄 수 있다. 부피의 감소로 인한 압력이 증가하면, 기체의 분자 수가 줄어드는 평형이 더 선호된다. 부피의 증가로 인한 압력이 감소하면, 기체의 분자 수가 증가하는 평형이 더 선호된다. 계수가 같은 반응식에서는, 압력에 의한 평형이동이 일어나지 않는다.

N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃

계의 부피가 변하면, 기체들의 부분압력 또한 변한다.

부피를 증가시켜 압력을 감소시킨다면, 압력을 증가시키기 위해 기체 분자 수가 증가하는 방향, 즉 역반응으로 평형이 이동할 것이다. 계는 부분압력의 감소에 대응하기 위해 압력을 증가시키는 역반응으로 평형을 이동한다. 비슷하게, 부피를 감소시켜 압력을 증가시킨다면, 압력을 감소시키기 위해 기체 분자 수가 감소하는 정반응으로 평형이 이동할 것이다.

헬륨과 같은 비활성 기체는 다른 원소나 화합물들과 반응하지 않는다. 비활성 기체를 부피가 일정한 계에 첨가한다면, 평형에 영향을 미치지 못한다. 이것은, 비활성기체가 평형 반응식을 바꾸지 못하기 때문이다. 계의 총 압력을 증가시키는 것은 맞지만, 총 압력은 평형 상수에 아무런 영향을 갖지 않는다. 평형에 변화를 줄 수 있는 것은, 부분압력의 변화이다. 그러나 비활성기체를 첨가하는 과정에서 부피가 증가할 수 있다면, 기체들의 부분압력이 감소할 것이기 때문에, 기체 분자 수를 증가하는 방향으로 평형이 이동할 것이다.

촉매는 반응에 참여하지 않으면서 반응의 속도를 증가시키는 물질이다. 촉매의 사용은, 화학 반응식의 정반응과 역반응 속도를 같은 비율로 증가시키기 때문에 평형 이동에 영향을 주지 못한다. 그들은 반응의 속도를 가속시키겠지만, 평형에 어떠한 영향도 주지 못한다.

3. 1. 농도 변화의 효과

화학 반응에서 반응물 또는 생성물의 농도 변화는 그 농도 변화를 상쇄하는 방향으로 평형을 이동시킨다. 예를 들어, 일산화탄소(CO)와 수소(H₂)가 반응하여 메탄올(CH₃OH)을 생성하는 반응을 생각해 보자.

: C O + 2 H₂ ⇌ CH₃OH

만약 이 반응에서 CO의 농도를 높이면, 르 샤틀리에의 원리에 따라 평형은 정반응 쪽으로 이동하여 CH₃OH 생성을 증가시킨다. 이는 충돌 이론으로 설명 가능한데, CO 농도 증가는 반응물의 성공적인 충돌 빈도를 높여 정반응 속도를 증가시키기 때문이다.

어떤 종을 추가하면 그 종의 첨가를 상쇄하는 쪽을, 어떤 종을 제거하면 그 종이 감소한 쪽을 선호하는 반응이 일어난다. 원하는 생성물이 열역학적으로 유리하지 않더라도, 생성물을 용액에서 지속적으로 제거하면 최종 생성물을 얻을 수 있다.

농도 변화는 축합 반응과 같은 평형 과정에서 생성물 형성에 영향을 준다. 예를 들어 카르복실산과 알코올로부터 에스터를 형성하거나, 아민과 알데히드로부터 이민을 형성하는 반응에서, 물을 제거하면 생성물 쪽으로 평형이 이동한다. 이는 무수 황산 마그네슘이나 분자체와 같은 건조제를 첨가하거나, 딘-스타크 장치를 이용해 증류로 물을 제거하여 달성할 수 있다.

평형 상태에서 특정 물질의 농도를 변화시키지 않고 다른 물질을 첨가하면, 평형 상수 식에 따라 평형이 이동한다. 예를 들어, 암모니아 합성 반응에서 질소, 수소, 암모니아의 분압 및 온도를 변화시키지 않고 질소를 추가하면 평형은 질소를 소비하고 암모니아를 생성하는 방향으로 이동한다. 하지만, 반응계의 전체 압력을 일정하게 유지한 채 질소를 가하면, 질소의 분압은 증가하지만 수소의 분압이 감소하므로, 단순히 르 샤틀리에의 원리만으로 평형 이동 방향을 예측할 수 없다.

3. 2. 온도 변화의 효과

온도 변화는 반응의 발열 또는 흡열 여부에 따라 평형을 이동시킨다. 반응이 발열반응(Δ''H''는 음수이고 에너지가 방출됨)인 경우 열은 생성물로 포함되고, 반응이 흡열반응(Δ''H''는 양수이고 에너지가 소비됨)인 경우 열은 반응물로 포함된다. 따라서 온도를 높이거나 낮추는 것이 정반응 또는 역반응을 선호하는지 여부는 농도 변화와 같은 원리를 적용하여 결정할 수 있다.

예를 들어, 질소 기체와 수소 기체가 반응하여 암모니아를 생성하는 가역반응을 고려해 보자.

:N₂(g) + 3 H₂(g) ⇌ 2 NH₃(g) Δ''H'' = −92 kJ mol⁻¹

이 반응은 발열반응이므로 열을 생성한다.

:N₂(g) + 3 H₂(g) ⇌ 2 NH₃(g) + ''열''

만약 온도가 증가한다면, 르 샤틀리에의 원리에 의해 온도를 낮추기 위해, 흡열반응인 역반응을 시켜, N₂와 H₂를 더 많이 생성할 것이다. 온도가 증가하면 계의 열 함량이 증가하므로, 계는 평형을 왼쪽으로 이동시켜 일부 열을 소비하고, 따라서 암모니아를 덜 생성한다. 반응을 더 낮은 온도에서 수행하면 더 많은 암모니아가 생성되지만, 낮은 온도는 또한 공정 속도를 낮추므로, 실제로는 (하버-보슈법) 온도를 적절한 속도로 암모니아를 생성하고 너무 불리하지 않은 평형 농도를 얻을 수 있는 타협점으로 설정한다.

발열반응에서 온도 증가는 평형 상수 ''K''를 감소시키는 반면, 흡열반응에서는 온도 증가가 ''K''를 증가시킨다. 농도, 압력 등의 변화와 다르게 온도의 변화는 평형상수의 변화를 포함한다. ''K''의 온도 의존성은 Δ''H''의 부호에 의해 결정된다. 이 의존성의 이론적 기반은 반트호프 방정식에 의해 제시된다.

반트호프가 르샤틀리에보다 먼저 '''평형 이동의 원리'''로서 고찰하였다.^[22]

반응 온도에 따른 평형의 이동에 대해서는 다음 식에 따른다.

:

\frac{\partial \ln K}{\partial T} = \frac{\Delta H}{RT^2}

이 식을 '''반트호프의 식'''이라고 한다.^[21] 이 식에 따르면 반응 엔탈피가 양수(흡열 반응)이면 반응 온도가 상승함에 따라 평형 상수가 증가하고 생성물로의 이동이 더 유리해진다. 반대로 반응 엔탈피가 음수(발열 반응)이면 반응 온도가 상승함에 따라 평형 상수가 감소하고 원료로의 역반응이 더 유리해진다.^[21]

암모니아 생성 반응은 발열 반응, 즉 반응 엔탈피가 음수인 반응이다. 따라서 반트호프의 식에 의해 반응 온도가 상승하면 평형 상수가 감소하고 흡열 방향의 반응인 원료로의 역반응이 유리해진다. 이와 같이 르샤틀리에의 원리를 설명할 수 있다.^[21]

N₂O₄(g) ⇌ 2NO₂(g)는 흡열반응이므로, 온도 변화를 통해 평형 위치를 이동시킬 수 있다.

3. 3. 압력 변화의 효과

압력 변화는 기체 분자 수의 변화를 수반하는 반응에서 평형을 이동시킨다. 압력 증가는 기체 분자 수가 감소하는 방향으로 평형을 이동시키고, 압력 감소는 기체 분자 수가 증가하는 방향으로 평형을 이동시킨다. 예를 들어, 하버-보슈법에서 암모니아(NH3) 합성을 생각해보자.

:N2 + 3 H2 <=> 2 NH3

이 반응에서 계의 부피를 감소시켜 압력을 증가시키면, 기체 분자 수가 감소하는 정반응, 즉 암모니아 생성 방향으로 평형이 이동한다. 반대로, 부피를 증가시켜 압력을 감소시키면, 기체 분자 수가 증가하는 역반응으로 평형이 이동한다.

반응계에 가압 또는 감압을 가하여 전체 압력을 a배로 하면 평형 상수 식의 우변은 다음과 같이 변한다.

:

\frac^2}{a P_{\rm N_2} \cdot {a^3 P_{\rm H_2}}^3} = a^{-2} \cdot \frac^2}{P_{\rm N_2} \cdot {P_{\rm H_2}}^3}

가압(a>1) 시 이 값은 K보다 작아져 평형이 깨지고, 암모니아가 생성되는 방향으로 반응이 진행된다. 감압(a<1) 시에는 이 값이 K보다 커져 평형이 깨지고, 암모니아가 원료로 되돌아가는 방향으로 반응이 진행된다.

일반적인 기체 반응에서 a의 지수는 (반응식의 생성물의 분자 수) - (반응식의 반응물의 분자 수)가 된다. 따라서 가압했을 경우 분자 수가 적은 쪽으로, 감압했을 경우 분자 수가 많은 쪽으로 평형이 이동한다.

평형 상태에서 생성물과 반응물의 농도는 계의 전체 압력에 직접적으로 의존하지 않고, 분압에 의존한다. 기체 상태의 반응물과 생성물의 몰수가 같다면 압력은 평형에 영향을 미치지 않는다.

3. 4. 부피 변화의 효과

계의 부피를 변화시키는 것은 반응물과 생성물들의 부분압력을 변화시키는 것이며, 이는 평형 상태에 영향을 줄 수 있다.^[10] 부피 감소로 인한 압력 증가는 기체의 분자 수가 줄어드는 평형을 더 선호하게 되며,^[10] 부피 증가로 인한 압력 감소는 기체의 분자 수가 증가하는 평형을 더 선호하게 된다. 반응식에서 양쪽의 기체 분자 수가 같은 경우에는 압력 변화에 의한 평형 이동이 일어나지 않는다.

질소 기체와 수소 기체가 반응하여 암모니아를 생성하는 반응을 예로 들 수 있다.

:N₂ + 3 H₂ ⇌ 2 NH₃

이 반응에서 반응물의 기체 분자 수는 4몰이고 생성물의 기체 분자 수는 2몰이다. 계의 부피가 변하면 기체들의 부분압력이 변한다. 부피를 증가시켜 압력을 감소시키면, 기체 분자 수가 더 많은 쪽(반응물 쪽)으로 평형이 이동한다. 이는 계가 부분압력의 감소에 대응하기 위해 압력을 증가시키는 방향으로 반응을 진행시키기 때문이다. 반대로 부피를 감소시켜 압력을 증가시키면, 기체 분자 수가 더 적은 쪽(생성물 쪽)으로 평형이 이동하여 압력 증가를 상쇄한다.^[10] 반응물 쪽에 기체 몰 수가 더 많기 때문에 부피가 증가하면 평형 상수 식의 분모에 더 큰 영향을 미쳐 평형 이동을 일으킨다.

일반적인 기체 반응에서, 반응계에 가압 또는 감압을 가하여 전체 압력을 a배로 하면 평형 상수 식의 우변은 다음과 같이 변화한다.

:

\frac^2}{a P_{\rm N_2} \cdot {a^3 P_{\rm H_2}}^3} = a^{-2} \cdot \frac^2}{P_{\rm N_2} \cdot {P_{\rm H_2}}^3}

가압(a>1)했을 경우 이 식의 값은 K보다 작아져 평형이 깨지고, 암모니아가 생성되는 방향으로 반응이 진행된다. 감압(a<1)했을 경우는 K보다 커져 평형이 깨지고, 암모니아가 원료로 되돌아가는 방향으로 반응이 진행된다. 즉, 가압했을 경우 분자 수가 적은 쪽으로, 감압했을 경우 분자 수가 많은 쪽으로 평형이 이동한다.

3. 5. 비활성 기체 첨가의 효과

헬륨과 같은 비활성 기체(또는 희유 기체)는 다른 원소나 화합물과 반응하지 않는다.^[10] 비활성 기체를 일정한 부피에서 기체 상태 평형에 첨가하면 전체 압력은 증가하지만, 반응에 참여하는 물질의 분압에는 영향을 주지 않으므로 평형은 이동하지 않는다.^[10] 이는 비활성 기체가 화학 반응식의 양쪽에 모두 나타나 평형 방정식에 영향을 주지 않기 때문이다. 예를 들어, A와 B가 반응하여 C와 D를 생성하지만, X는 반응에 참여하지 않는 경우: \mathit{a}A{} + \mathit{b}B{} + \mathit{x}X <=> \mathit{c}C{} + \mathit{d}D{} + \mathit{x}X. 전체 압력은 평형 상수에 영향을 미치지 않으며, 평형 이동을 일으키는 것은 부분 압력의 변화이다. 그러나 비활성 기체를 첨가하는 과정에서 부피가 증가하면 모든 기체의 부분 압력이 감소하여 기체 몰수가 더 많은 쪽으로 평형이 이동한다.^[10]

3. 6. 촉매의 영향

촉매는 반응에 참여하지 않으면서 반응의 속도를 증가시키는 물질이다. 촉매는 정반응과 역반응 속도를 같은 비율로 증가시키기 때문에 평형 이동에 영향을 주지 않는다. 예를 들어, 하버-보슈법에서 철(Fe)과 몰리브덴/molybdenum^영어(Mo)은 촉매 역할을 하지만 평형 상태에는 영향을 미치지 않는다.

4. 다른 분야에서의 응용

조정 기간은 초기 충격(충격)에 대한 음의 되먹임의 강도에 따라 달라진다. 이 원리는 일반적으로 닫힌 음의 되먹임 시스템을 설명하는 데 사용되지만, 열역학 제2법칙이 순간적인 충격으로 인한 비평형이 결국 새로운 평형으로 이어짐을 보장하기 때문에, 일반적으로 자연계의 열역학적으로 닫힌 시스템과 고립된 시스템에도 적용된다.^[9]

화학 평형에 깊이 뿌리를 두고 있지만, 르 샤틀리에 원리는 기계 시스템을 설명하는 데에도 사용될 수 있다. 즉, 응력을 받는 시스템은 그 응력을 줄이거나 최소화하는 방식으로 반응한다. 게다가, 그 반응은 일반적으로 그 응력을 가장 쉽게 완화하는 메커니즘을 통해 일어난다. 전단 핀 및 기타 이러한 희생 장치는 시스템 전체에 대한 더 광범위한 손상을 방지하기 위해 원치 않는 방식으로 가해지는 응력을 완화하기 위해 시스템을 보호하는 설계 요소이며, 르 샤틀리에 원리의 실용적인 공학적 응용 사례이다.

경제학에서 르 샤틀리에의 원리는 1947년 미국의 경제학자 폴 새뮤얼슨에 의해 소개되었다.^[18] 일반화된 르 샤틀리에 원리는 경제적 균형의 최대 조건에 대한 것이다. 함수의 모든 미지수가 독립적으로 변수일 때, 초기 균형을 변경하지 않고 "딱 맞는" 구속 조건은 매개변수 변화에 대한 반응을 감소시킨다. 따라서 단기적으로는 고정비용 제약으로 인해 장기보다 요소 수요 및 상품 공급 탄력성이 낮을 것으로 예상된다.^[18]

최대 위치의 근방에서 목적 함수 값의 변화는 포락선 정리에 의해 설명되므로, 르 샤틀리에의 원리는 그 계임을 보일 수 있다.^[19]

4. 1. 경제학

경제학에서 르 샤틀리에의 원리는 1947년 미국의 경제학자 폴 새뮤얼슨에 의해 소개되었다.^[18] 일반화된 르 샤틀리에 원리는 경제적 균형의 최대 조건에 대한 것이다. 함수의 모든 미지수가 독립적으로 변수일 때, 초기 균형을 변경하지 않고 "딱 맞는" 구속 조건은 매개변수 변화에 대한 반응을 감소시킨다. 따라서 단기적으로는 고정비용 제약으로 인해 장기보다 요소 수요 및 상품 공급 탄력성이 낮을 것으로 예상된다.^[18]

최대 위치의 근방에서 목적 함수 값의 변화는 포락선 정리에 의해 설명되므로, 르 샤틀리에의 원리는 그 계임을 보일 수 있다.^[19]

4. 2. 생물학

5. 관련 개념

르샤틀리에의 원리는 안정된 계가 외부의 영향을 받으면, 그 영향을 줄이도록 스스로 조정한다는 일반적인 원리로 간주될 수 있다.^[16] 즉, 어떤 현상의 변화는 반응하는 계에서 반대되는 반응을 유발한다.^[16]

이러한 개념은 다양한 이름으로 불리며, 주로 자연과학 분야에서 연구되어 왔다. 화학에서는 이 원리를 가역 반응의 결과를 조작하는 데, 특히 수율을 높이는 데 사용한다. 약리학에서는 수용체에 대한 리간드의 결합이 르샤틀리에의 원리에 따라 평형을 이동시킬 수 있으며, 이는 수용체 활성화 및 탈감작의 다양한 현상을 설명한다.^[17] 경제학에서는 이 원리를 언급하여 효율적인 경제 시스템의 가격 평형을 설명하는 데 도움이 된다고 간주하는 경우가 있다. 일부 동역학계에서는 충격이나 섭동으로부터 최종 상태를 결정할 수 없다.

6. 비평형 과정

단순한 계 또는 복잡한 열역학적 계는 유량과 화학 반응률이 0이 아닌 정상 상태에 있을 수 있다.^[14] 때때로 이러한 상태를 가리켜 "평형"이라는 단어를 사용하지만, 정의상 열역학적 평형 상태는 아니다. 때로는 이러한 상태에 대해 르 샤틀리에의 원리를 고려하는 것이 제안되기도 한다. 이를 위해서는 유량과 화학 반응률을 고려해야 한다. 이러한 반응률은 평형 열역학에서 제공되지 않는다. 이러한 상태에는 르 샤틀리에의 원리를 반영하는 간단한 설명이 없다. 프리고진(Prigogine)과 드페이(Defay)는 이러한 시나리오가 조절 현상을 보이거나, 제한된 정도의 역조절 현상을 보일 수 있지만, 완료되는 폭주적인 역조절 현상은 나타나지 않음을 보여준다. 프리고진과 드페이가 분석한 예는 하버-보슈법이다.^[14]

이러한 상황은 두 가지 기본적인 공정 분석 방법을 고려하여 명확히 할 수 있다. 하나는 기브스의 고전적인 접근 방식이고, 다른 하나는 드 돈더의 근사 평형 또는 국소 평형 접근 방식이다.^[15] 기브스 접근 방식은 열역학적 평형을 필요로 한다. 기브스 접근 방식은 열역학적 평형이라는 적절한 범위 내에서 신뢰할 수 있지만, 비평형 시나리오는 다루지 못한다. 드 돈더 접근 방식은 평형 시나리오를 다룰 수 있을 뿐만 아니라, 국소 열역학적 평형만 있고 적절한 열역학적 평형은 없는 비평형 시나리오도 다룰 수 있다. 드 돈더 접근 방식을 사용하면 반응 진행도라는 상태 변수를 독립 변수로 사용할 수 있지만, 기브스 접근 방식에서는 이러한 변수가 독립적이지 않다. 열역학적 비평형 시나리오는 르 샤틀리에의 원리에 대한 지나치게 일반적인 설명과 모순될 수 있다.

참조

_[1] 웹사이트 Le Chatelier's Principle Definition https://www.thoughtc[...] 2020-00-00
_[2] 서적 Introductory Chemistry – 1st Canadian edition BCcampus: OpenEd 2014-09-16
_[3] 웹사이트 Le Châtelier’s principle https://carnotcycle.[...] 2016-09-01
_[4] 문서 Page:Comptes rendus hebdomadaires des séances de l’Académie des sciences, tome 099, 1884.djvu/786 fr:s:Page:Comptes re[...]
_[5] 학술지 Is the Le Chatelier-Braun Principle Valid in General in Linear Nonequilibrium Thermodynamics? https://www.degruyte[...] 1995-01-01
_[6] 서적 1970
_[7] 서적 1994
_[8] 서적 1994
_[9] 서적 Handbook of Ecosystem Theories and Management CRC Press 2000-02-00
_[10] 서적 1993
_[11] 서적 1970
_[12] 서적 1960/1985
_[13] 서적 1994
_[14] 서적 1950/1954
_[15] 학술지 I. J. Chem. Soc. Faraday Trans. http://www.rsc.org/P[...] 1995
_[16] 서적 The Systems Bible General Systemantics Press
_[17] 웹사이트 The Biophysical Basis for the Graphical Representations http://www.bio-balan[...]
_[18] 문서 1983
_[19] 학술지 The Le Chatelier Principle as a Corollary to a Generalized Envelope Theorem
_[20] 서적 2001
_[21] 서적 2001
_[22] 문서
_[23] 웹인용 THE BIOPHYSICAL BASIS FOR THE GRAPHICAL REPRESENTATIONS http://www.bio-balan[...] 2009-05-04

본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com