시리즈:화포자도 쉽게 알 수 있는 화학/화학평형

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화포자도 쉽게 알 수 있는 화학
총론 물질 화학평형 양자화학 기타

1 열화학[편집]

나무를 태우면 열이 나고 물이 마르면 몸이 시원해지는 걸 우리가 알고 있듯, 화학 반응이 일어나면 열이 발생하거나 주위의 열을 흡수한다. 이런 열 발생과 흡수를 설명하는 분야가 열화학이다.

여기서 도입되는 개념이 엔탈피(enthalpy)라는 것이다. 정확한 정의는 물리 시간에 배우게 될 텐데, 고등학교 화학 수준에서는 엔탈피를 '물질이 갖고 있는 열 에너지' 정도로 이해하면 된다. 압력이 일정한 정압 과정에서 물질의 엔탈피 변화가 곧 열 발생/흡수량과 같기 때문이다.

불안정한 물질일수록 엔탈피가 높고, 안정한 물질일수록 엔탈피가 낮다. 마치 번지점프대 위로 높이 올라가면 불안해서 빨리 내려오고 싶어지는 것과 같다. 그래서 엔탈피가 높은 물질은 반응을 통해 엔탈피가 낮은 물질로 변화하려 하고, 그 엔탈피 차이만큼의 에너지가 번지-!! 하는 구호와 비명소리열로 방출된다. 반대로 엔탈피가 낮은 물질이 에너지를 받아 엔탈피가 높은 물질로 바뀔 수도 있다. 이 과정에서는 주위의 열을 흡수할 것이다. 마치 친구가 나를 강제로 번지점프대 위로 끌고 올라가 열이 받게 되듯이

그리고 헤스의 법칙이라는 것이 있다. 이것은 반응을 통해 방출/흡수되는 열의 양은 오직 처음 물질과 나중 물질의 엔탈피에 의해서만 결정된다는 것이다. 탄소를 태워서 이산화탄소로 만들면 열이 발생하는데, 탄소를 느리게 태우든 빠르게 태우든 탄소를 일산화탄소로 만들었다가 일산화탄소를 이산화탄소로 만들든 간에, 처음 물질은 탄소고 나중 물질은 이산화탄소다. 물질의 종류와 상태(압력, 온도 등)가 같으면 물질의 엔탈피도 같으므로, 어떤 방법으로 태우든 간에 처음과 나중 상태가 같으면 엔탈피 차이도 같고, 따라서 발생되는 열의 크기도 같다. 스트레스를 많이 받은 상태에서 스트레스를 게임으로 풀든, 위키질로 풀든, 즐거운 화학 문제를 풀면서 풀든 어? 아니면 검열삭제로 풀든 그러나 현실은 없는 선택지 아 검열삭제라면 가능하지 근데 검열삭제도 검열삭젠가?? 어떤 방법이든 최종적으로는 현자타임 스트레스가 풀린 상태에 이르는 것과 마찬가지다. 이걸 좀 있어 보이는 말로 설명하면, '반응열의 총합은 반응 경로에는 무관하고, 처음과 나중 물질의 상태에 의해서만 결정된다' 고 한다. 화학 반응의 열 발생량을 알기 위해 그 반응 과정을 전부 알 필요 없이, 처음과 나중 물질의 상태만 알면 되니까 무척 편리하다.

책에는 특정 온도와 압력에서 각 물질들의 엔탈피가 적혀 있는 표가 있다. 이런 표는 탄소, 수소, 산소 등 안정한 물질 몇 개를 골라 그것들의 엔탈피를 0 이라고 잡고, 이산화탄소, 물 등의 물질들의 엔탈피가 이런 안정한 물질들과 얼마나 차이가 나는가를 측정해서 만든 것이다. 우리가 '스트레스' 라는 것을 재려고 할 때, 기준점을 정하기 위해 '자고 있을 때' 의 스트레스를 0 이라고 정한 것처럼 이해하면 된다. 그러면 공부할 때는 자고 있을 때보다 100 만큼 스트레스가 높다든가, 놀 때는 자고 있을 때보다 -100 만큼 낮다든가 하는 식으로 이야기하여 '놀 때는 공부할 때보다 -200 만큼 스트레스가 낮다' 같이 말할 수 있을 것이다.


2 화학 평형[편집]

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.

2.1 르 샤틀리에의 원리[편집]

2.2 엔트로피, 자유 에너지 및 평형[편집]

여러분이 화학 2를 수능에서 선택하는 미친짓을 했다면 이 단원이 굉장히 반가울 것이다. 이 단원의 수능 문제는 부등호 방향 몇 개만 파악하면 쉽게 풀린다. 그러나 대학교를 가는 순간…

3 산과 염기[편집]

3.1 산-염기 평형 및 용해도 평형[편집]

버틸 수가 없다2

4 산화와 환원[편집]