화학반응은 반응의 가역성을 기준으로 가역반응과 비가역반응으로 나눌 수 있다. 연소반응이나 앙금생성반응은 반응이 일어나고 나면 다시 역반응이 거의 일어나지 않아 비가역반응이라고 분류할 수 있다. 그러나 화학반응 중에는 농도, 압력, 온도 등의 반응 조건에 따라 정반응이 우세하게 일어나기도 하고 반대로 역반응이 우세하게 일어나는 반응이 존재하는데, 이러한 반응을 가역반응이라고 한다. 가역반응에서 생성물과 반응물의 농도가 일정하게 유지될 때 겉으로 보기에는 반응이 정지한 것처럼 보이는 상태를 화학 평형상태라고 한다. 화학평형에서는 정반응과 역반응의 속도가 같아 이를 동적 평형 상태라고도 한다. 화학 평형 상태에서는 반응물과 생성물의 농도는 외부 조건 즉 온도와 압력이 변하지 않으면 각각 일정하게 유지된다. 용기에 반응물만 넣으면 반응이 진행되고, 생성물만 넣어도 반응이 진행되어 화학 평형 상태에 도달한다. 화학 평형 상태에 도달한 반응물과 생성물의 농도의 비는 일정한 값을 보이는데 이 농도비는 화학반응식의 계수비와 무관하다. 화학 평형 상태에서 반응물의 농도곱에 대한 생성물의 농도곱의 비는 온도가 일정하다면 일정한 값을 가진다. 이를 화학 평형 법칙이라고 하고 이 일정한 값을 평형상수(K)라고 한다. 평형상수를 구할 때 계산식에 평형상태의 농도를 대입하는데 이것을 평형 농도라고 한다. 평형 농도는 몰농도를 사용하고, 평형상수를 구할 때 단위는 생략하고 계산한다. 평형상수는 온도에 의해서만 달라지고, 농도나 기체의 압력에 의해 달라지지 않는다. 정반응의 평형상수와 역반응의 평형상수는 역수 관계이고, 고체나 액체는 화학반응이 일어나도 농도의 변화가 거의 없어 평형 상수식에 나타내지 않는다. 평형상수가 1보다 크다는 것은 화학 평형 상태에서 반응물의 농도 곱에 비에 생성물의 농도 곱의 비가 큰 것이다. 반대로 평형상수가 1보다 작은 것은 화학 평형 상태에서 생성물의 농도 곱에 비해 반응물의 농도 곱이 크다는 것을 의미한다. 평형상수식을 활용하여 반응의 진행 방향을 예측할 수 있는데, 평형상수식에 현재 농도를 대입하여 구한 값을 반응지수라고 한다. 평형상수와 반응지수가 같으면 현재 평형상태라는 것이고 평형상수가 반응지수보다 큰 경우 정반응이 우세하게 일어남을 예측할 수 있다. 반대로 반응지수가 평형상수보다 큰 경우 역반응 쪽으로 반응이 우세하게 일어남을 예측할 수 있다.
화학 평형 상태에 있는 화학반응의 농도, 온도, 압력을 변화시키면, 그 조건의 변화를 감소시키려는 방향으로 반응이 우세하게 진행하여 새로운 평형에 도달한다는 원리를 화학 평형 이동의 법칙 또는 르 샤틀리에의 원리라고 한다. 첫째 농도가 변하는 경우에는 변화한 조건을 감소시키는 쪽으로 이동한다. 반응물은 농도가 증가하면 반응물을 감소시키려 정반응 쪽으로 평형이 이동하여 반응물의 농도는 감소, 생성물의 농도는 증가한다. 생성물의 농도가 증가하면 생성물의 농도를 감소하기 위해 역반응 쪽으로 평형이 이동하고, 반응물의 농도는 증가, 생성물의 농도는 감소하여 새로운 평형에 도달한다. 그러나 온도가 일정한 상태에서 농도변화에 의한 평형이동이 일어나도 평형상수값은 일정하다. 둘째 압력이 변하는 경우 압력을 높이면 압력이 낮아지는 쪽 즉 기체의 몰수가 적은 쪽으로 이동한다. 반대로 압력을 낮추면 압력을 높일수 있는 기체의 몰수가 많은 쪽으로 평형이 이동한다. 고체와 액체의 농도는 압력의 영향을 받지 않고 기체의 농도만 영향을 받으며, 온도가 일정하다면 평형상수 값은 변하지 않는다. 정반응과 역반응 쪽의 기체의 몰수가 같다면 압력에 의한 평형이동이 일어나지 않는다. 셋째 화학평형상태에서 온도를 높이면 열을 흡수하는 흡열반응 쪽으로 평형이 이동하고, 온도를 낮추면 열을 방출하는 발열반응 쪽으로 평형이 이동한다. 온도가 변하면 평형상수도 변한는데, 정반응이 흡열반응이면 온도를 높이면 정반응 쪽으로 이동하므로 평형상수가 증가하고 온도를 낮추면 평형상수가 감소한다. 반대로 정반응이 발열반응이면 온도를 높이면 역반응 쪽으로 평형이 이동하므로 평형상수가 감소하고, 온도를 낮추면 평형상수가 증가한다. 촉매는 반응속도에 영향을 미치치만 평형이동에는 영향을 미치지 못한다. 화학 평형 이동의 법칙을 이동하면 실생활에서 원하는 반응 쪽으로 반응을 우세하게 일어날 수 있도록 조건을 변화하여 수득률을 높이는데 활용가능하다. 예를 들어 암모니아의 합성반응에서 암모니아의 수득률을 증가시키려면 수소와 질소가 만나서 암모니아를 형성하는 정반응이 발열반응이므로 온도를 낮추고, 정반응 쪽이 기체의 몰수가 작으므로 압력을 낮춘다.
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