화학 평형
어서와, 화학 평형은 처음이지?
질소와 수소를 반응시켜 암모니아를 만든다고 해 보자.
N2 + 3H2 → 2NH3
질소 1몰과 수소 3몰을 넣으면 암모니아가 2몰 나올 것이다... 라고 생각하겠지만, 현실적으로 그렇게 되지는 않는다. 왜냐하면
2NH3 → N2 + 3H2
위와 같은 반대 방향의 반응도 가능하기 때문이다. 즉, 질소와 수소가 반응해서 암모니아가 나오지만, 그렇게 만들어진 암모니아가 청개구리처럼 질소와 수소로 되돌아가려고도 하는 것이다. 여기서 우리가 원하는 질소 + 수소 → 암모니아 반응을 정반응, 거꾸로 암모니아가 질소와 수소로 되돌아가는 반응을 역반응이라고 부른다.
반응 속도는 반응하려는 물질이 많을수록 빠르다. 물질의 숫자가 많을수록 그 중에서 반응이 일어나는 녀석들도 많기 때문이다. 그래서 최초에 질소와 수소만 있을 때는 얘네들이 만나서 암모니아가 되는 정반응의 속도가 빠르고, 암모니아는 거의 없기 때문에 역반응은 거의 없다시피하다. 그러다가 반응이 어느 정도 진행되어 암모니아가 많이 생기면, 암모니아가 질소와 수소로 되돌아가는 역반응도 점차 빨라질 것이고, 반대로 질소와 수소는 많이 줄어들기 때문에 정반응은 점차 느려질 것이다. 이러다가 어느 시점에 도달하면 암모니아가 만들어지는 속도와 되돌아가는 속도가 같아지게 될 것이다. 이 때에는 정반응과 역반응이 계속 이루어지기는 하지만, 두 반응으로 일어나는 변화가 서로 상쇄되므로 각 물질의 양은 일정하게 유지된다. 이것을 화학 평형 상태라고 한다.
aA + bB → cC 라는 반응이 있을 때, 평형 상수는 다음과 같이 정의된다.
[math]\displaystyle{ K = \frac{[\mathrm C]^c}{[\mathrm A]^a [\mathrm B]^b} }[/math] - 수용액의 경우
[math]\displaystyle{ K = \frac{P_{\mathrm C}^c}{P_{\mathrm A}^a P_{\mathrm B}^b} }[/math] - 기체의 경우
수용액에서는 각 물질의 몰 농도와 반응식의 계수, 기체의 경우 각 물질이 갖는 분압과 반응식 계수에 관한 꼴이다. 위의 암모니아 반응의 경우엔 이렇게 된다.
[math]\displaystyle{ K = \frac{P_{\mathrm {N H_{3}}}^{2}}{P_{\mathrm {N_{2}}}^{\,} P_{\mathrm {H_{2}}}^{3}} }[/math]
여기서 PN2 란 질소의 분압, 즉 전체 압력 중에서 질소 분자들이 미치는 압력을 뜻한다. 이 압력은 질소의 몰 수에 비례하며, 식으로 나타내면 PN2 = Ptotal × (질소 몰 수) / (기체 전체 몰 수) 가 된다.
400°C 에서 이 반응의 평형상수 K는 1.64 × 10−4 이며, 200기압의 고압에서 반응이 일어난다고 할 때, 질소 1몰과 수소 3몰을 반응할 때의 결과를 적절히 계산하면 암모니아가 1.04몰 생성됨을 알 수 있다. 즉 이론적으로는 암모니아가 2몰 생성될 것 같지만, 실제로는 그의 약 52% 정도만이 생성됨을 화학 평형을 이용해 예측할 수 있는 것이다. 한편 반응이 일어나는 압력을 300기압으로 올려서 계산해 보면, 암모니아는 1.18몰 생성되어 수득률은 59%가 된다. 이로써 암모니아를 많이 얻고 싶으면 압력을 올릴수록 좋다는 것도 알 수 있다.
평형 상수가 어떻게 이런 꼴이 되는지에 대한 증명은 화학 평형 항목에 나와 있다. 이 증명으로부터, 평형 상수는 온도가 바뀔 때만 바뀐다는 것도 알 수 있다.
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엔트로피, 자유 에너지 및 평형
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