《化學平衡定律的普遍陳述》
擾動一個處於平衡的系統,它便會移動,以部分抵消這擾動。
去推一個已經穩定下來的化學反應——加熱它、壓縮它、往裡倒入更多某種原料——它會反推回來,移動以部分抵消你所做的事。
把這個想法拆開看
許多反應並不會進行到底;它們會到達一個平衡點,正向與逆向反應以相同速率進行,各物質的量便不再變化。這就是化學平衡。勒沙特列發問:若你擾動這平衡,它會朝哪個方向移動?
他的答案是一條永遠管用的經驗法則。系統會朝著緩解擾動的方向移動。加熱它,它就朝吸收熱量的方向走。把氣體混合物壓進更小的空間,它就移向氣體分子更少的一側,以減輕壓強。加入更多某原料,那原料便被消耗掉。這反應,實際上是在抵抗被推。
一位尋找一條規則的工程師
亨利·勒沙特列是法國的採礦工程師,畢生研究熔爐、水泥、炸藥與礦井安全。他那時代的化學家,知道幾十條關於熱與壓如何把反應推向某一邊的零散事實,卻沒有一條統攝它們的總定律。1884 年,在給法國科學院的一則簡短札記裡,勒沙特列陳述了一條——一條「緩和原理」,所有那些個別情形都可由它推出。德國物理學家卡爾·費迪南德·布勞恩在兩年後得出了實質相同的規則,所以它有時以兩人之名並稱。當時兩人都無法從更深的理論證明它;那份嚴格,來自吉布斯與范特荷夫正在構建的熱力學。
它為何重要
這條規則,把平衡從一件「觀察之事」變成了一件「可調控之事」。只要你知道反應會朝哪邊移動,就能選好溫度與壓強,把它推到你想要的地方。最高的範例,是用空氣中的氮來製氨——哈伯–博施法(見哈伯 1909),它把空氣變成化肥,養活了世上約半數的人。勒沙特列原理恰恰告訴你如何把反應朝氨那一邊誘導:高壓、適中的溫度。同一邏輯,貫穿於血液的化學、海洋的二氧化碳平衡,以及千百座工業反應器。
一間擁擠的房間
想像一間房裡有一群舒適、均勻散開的人——那就是平衡。現在把暖氣開大:人們便往涼爽處挪,以緩解這變化。把所有人擠進一半的空間:他們便盡力重新散開,抵著那擠壓往外頂。開一道門、從一側倒進更多人:他們便重新分布,直到再次均勻。每一回,這群人都重新排布自己,以軟化你對他們所做的事——化學平衡回應擾動的方式,正是如此。
之前與之後
更深的理論其實在先,卻難以使用:吉布斯(1876)已用令人卻步的普遍性寫下了平衡的熱力學,而范特荷夫正在定量刻畫平衡常數如何隨溫度改變。勒沙特列從那個世界裡提煉出一條可用的規則。一代人之後,它成了哈伯(1909)與整個化學工業的操作手冊;今天,它解釋著海洋酸化與你飲料裡的氣泡。在本館裡,它正坐落於吉布斯(1876)的熱力學與哈伯(1909)的反應器之間。
Tout système en équilibre chimique stable soumis à l'influence d'une cause extérieure qui tend à faire varier soit sa température, soit sa condensation (pression, concentration, nombre de molécules dans l'unité de volume) dans sa totalité ou seulement dans quelques-unes de ses parties, ne peut éprouver que des modifications intérieures, qui, si elles se produisaient seules, amèneraient un changement de température ou de condensation de signe contraire à celui résultant de la cause extérieure.