《化学平衡定律的普遍陈述》
扰动一个处于平衡的系统,它便会移动,以部分抵消这扰动。
去推一个已经稳定下来的化学反应——加热它、压缩它、往里倒入更多某种原料——它会反推回来,移动以部分抵消你所做的事。
把这个想法拆开看
许多反应并不会进行到底;它们会到达一个平衡点,正向与逆向反应以相同速率进行,各物质的量便不再变化。这就是化学平衡。勒夏特列发问:若你扰动这平衡,它会朝哪个方向移动?
他的答案是一条永远管用的经验法则。系统会朝着缓解扰动的方向移动。加热它,它就朝吸收热量的方向走。把气体混合物压进更小的空间,它就移向气体分子更少的一侧,以减轻压强。加入更多某原料,那原料便被消耗掉。这反应,实际上是在抵抗被推。
一位寻找一条规则的工程师
亨利·勒夏特列是法国的采矿工程师,毕生研究熔炉、水泥、炸药与矿井安全。他那时代的化学家,知道几十条关于热与压如何把反应推向某一边的零散事实,却没有一条统摄它们的总定律。1884 年,在给法国科学院的一则简短札记里,勒夏特列陈述了一条——一条「缓和原理」,所有那些个别情形都可由它推出。德国物理学家卡尔·费迪南德·布劳恩在两年后得出了实质相同的规则,所以它有时以两人之名并称。当时两人都无法从更深的理论证明它;那份严格,来自吉布斯与范特霍夫正在构建的热力学。
它为何重要
这条规则,把平衡从一件「观察之事」变成了一件「可调控之事」。只要你知道反应会朝哪边移动,就能选好温度与压强,把它推到你想要的地方。最高的范例,是用空气中的氮来制氨——哈伯–博施法(见哈伯 1909),它把空气变成化肥,养活了世上约半数的人。勒夏特列原理恰恰告诉你如何把反应朝氨那一边诱导:高压、适中的温度。同一逻辑,贯穿于血液的化学、海洋的二氧化碳平衡,以及千百座工业反应器。
一间拥挤的房间
想象一间房里有一群舒适、均匀散开的人——那就是平衡。现在把暖气开大:人们便往凉爽处挪,以缓解这变化。把所有人挤进一半的空间:他们便尽力重新散开,抵着那挤压往外顶。开一道门、从一侧倒进更多人:他们便重新分布,直到再次均匀。每一回,这群人都重新排布自己,以软化你对他们所做的事——化学平衡回应扰动的方式,正是如此。
之前与之后
更深的理论其实在先,却难以使用:吉布斯(1876)已用令人却步的普遍性写下了平衡的热力学,而范特霍夫正在定量刻画平衡常数如何随温度改变。勒夏特列从那个世界里提炼出一条可用的规则。一代人之后,它成了哈伯(1909)与整个化学工业的操作手册;今天,它解释着海洋酸化与你饮料里的气泡。在本馆里,它正坐落于吉布斯(1876)的热力学与哈伯(1909)的反应器之间。
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.