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창원 기
5 years ago
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1 이모든것들은화학반응과어떻게연관되어있는가? 5 열화학

2 에너지의성질 There is a fact, or if you wish, a law, governing natural phenomena that are known to date. There is no known exception to this law it is exact so far we know. The law is called conservation of energy [it states that there is a certain quantity, which we call energy that does not change in manifold changes which nature undergoes]. That is a most abstract idea, because it is a mathematical principle; it says that there is a numerical quantity, which does not change when something happens. It is not a description of a mechanism, or anything concrete; it is just a strange fact that we can calculate some number, and when we finish watching nature go through her tricks and calculate the number again, it is the same. - Richard Feynman on his undergraduate lecture of physics - 에너지 (Energy): 일을하거나열을발생시킬수있는능력 일 (Work): 힘에반하여물체를움직이게하는것 ( = N m = kg m/s 2 m = kg m 2 /s 2 ) 열 (Heat): 온도차에의한에너지의전달 온도 (Temperature): 입자의무질서한움직임의척도. 계의운동에너지와관련됨 열역학 (Thermodynamics): 에너지와에너지의변환에대한연구 열화학 (Thermochemistry): 에너지, 에너지의변환과화학반응사이의관계에대한연구

3 에너지의성질 운동에너지와퍼텐셜에너지 운동에너지 (Kinetic energy): 물체의움직임이가지고있는에너지 Ek = 1 mv 2 2 퍼텐셜에너지 (Potential energy): 물체의위치나화학적조성이가지고있는에너지 운동에너지 퍼텐셜에너지 에너지의단위 1J kg m 1 2 s 2 = 1 cal = J

4 에너지의성질 운동에너지와퍼텐셜에너지 정전기퍼텐셜에너지 (Electrostatic potential energy): 전하를띤입자사이에발생하는에너지. 원자와분자의거동에서작용하는에너지중가장중요하게역할. 즉화학에서다루는에너지중가장중요한형태. 퍼텐셜에너지 kq1q d 2 E el = 화학에너지 (Chemical energy): 화학결합에저장되어있는에너지. 퍼텐셜에너지 열에너지 (Thermal energy): 온도때문에물질이가지는에너지. 운동에너지의일종

5 에너지의성질 계와주위 2H 2 (g) + O 2 (g) H 2 O(g) + energy (heat) 계 (System): 관심을가지고있는부분 주위 (Surroundings): 그밖의모든것 우주 = 계 + 주위 화학반응에서계는반응물과생성물이다. 닫힌계 (Closed system): 에너지의교환은일어나나물질의교환은일어나지않는계 고립계 (Isolated system): 에너지와물질의교환이일어나지않는계

6 에너지의성질 에너지이동 : 일과열 에너지 (Energy): 일을하거나열을발생시킬수있는능력 일과열을통해에너지가이동 ( 변환 ) 일 = 힘 x 거리 Ex) 5.4 kg의볼링공을지면으로부터 1.6 m 높이로들어올렸다가떨어뜨렸다. (a) 볼링공을들어올릴때, 그것의퍼텐셜에너지는어떻게되는가? (b) 그것을들어올릴때사용한일의양은 J 단위로얼마인가? 증가 (c) 공이떨어진다음그것은운동에너지를얻는다. 공이지면에부딪히는순간에 (b) 에서수행된일이모두운동에너지로전환된다고가정하면, 공이지면을때리기바로직전의속도는얼마인가?

7 열역학제 1 법칙 내부에너지 열역학제 1 법칙 (First law of thermodynamics): 우주에너지의총량은일정하다. E universe = 0 내부에너지 (Internal Energy (E)): 계를구성하는성분의운동에너지와퍼텐셜에너지의총합 어느순간에 E 의값은알수없으나변화가일어났을때그변화량 ( E) 은구할수있다. E = E f -E i = 내부에너지의변화량

8 열역학제 1 법칙 내부에너지 E = q + w 열역학적양의표현수 : 변화의양부호 : 흐름의방향 ( 항상계의관점 ) 단위 (J) heat heat heat q < 0 q > 0 work done on w < 0 w > 0 work done on for engineers, sometimes E = q - w'

9 열역학제 1 법칙 내부에너지 Ex) 실린더와피스톤이장착된장치안에들어있는기체 A(g) 와 B(g) 가반응하여고체생성물 C(s) 를생성한다. A(g) + B(g) C(s) 이반응에서계는 1150 J 의열을주위에빼앗긴다. 기체들이반응해서고체를형성할때, 피스톤은아래쪽으로움직인다. 일정대기압하에서기체의부피가감소하면서주위는계에대해 480 J 의일을수행한다. 계의내부에너지변화는얼마인가? A(g) + B(g) 대기압 (1 atm) 대기압 (1 atm) C(s)

10 열역학제 1 법칙 발열과정과흡열과정 heat heat + 생성물 q < 0 q > 0 발열 (exothermic) 과정 흡열 (endothermic) 과정 분말알루미늄과 Fe 2 O 3 의반응 ( 서밋반응 ) 은격렬하게진행하여열을방출하고, Al 2 O 3 와용융철을생성한다. ammonium cyocyanate 와 barium hydroxide octahydrate 를실온에서혼합하면온도가내려간다.

11 열역학제 1 법칙 상태함수 상태함수 (State function): 상태함수는계의조건이나상태를 ( 온도, 압력등의관점에서 ) 명시함으로써결정되는계의성질. 상태함수의값은단지계의현재상태에만의존하며, 계가그상태에도달하기위해취한경로에는의존하지않는다. 내부에너지 (E) 와그변화량 ( E) 은상태함수

12 엔탈피 (Enthalpy) PV 일 Zn(s) + 2 H + (aq) Zn 2+ (aq) +H 2 (g) P = F A P = F A PV 일 (PV work) - 화학반응과관련된흔한형태의일. - 기체가외부에행한일 ( 팽창 ) - 기체가받은일 ( 압축 ) h 일 = 힘 거리일 = F h = P A h V = V 최종 - V 초기 = A x h 일 = P V 기체가주위에한일 E = q + w =? w = -P V, E = q - P V 위와같은반응에서열의출입을쉽게표현할수있는방법은없을까?

13 엔탈피 (Enthalpy) 엔탈피 Enthalpy H = E + PV state functions state function H = E + (PV) = E + P V + V P 일정압력하에서 PV- 일만있다면 H = E P + P V = q P + w + P V = q P - P V + P V = q P H = q P 일정압력에서 ( 일은 PV- 일만있을때 ) 계의엔탈피변화량 ( H) 은계에서열의출입량과같다. 화학반응은많은경우에대기압아래에서일어나므로 H 가 E 보다많이쓰인다.

14 엔탈피 (Enthalpy) 엔탈피 H > 0 흡열반응 (endothermic reaction) H < 0 발열반응 (exothermic reaction) Ex) 대기압하에서다음과정은발열, 흡열? (a) 얼음조각이녹는다. (b) 뷰테인 (C 4 H 10 ) 1 g 이충분한양의산소속에서완전연소하여 CO 2 와 H 2 O 를생성한다.

15 반응엔탈피 반응엔탈피 (Enthalpy of reaction), 반응열 (Heat of reaction) : 반응에수반되는엔탈피의변화량 ( H rxn = H 생성물 - H 반응물 ) 2 H 2 (g) +O 2 (g) 2 H 2 O(g) H = kj

16 반응엔탈피 엔탈피의성질 1. 엔탈피는크기성질이다. CH 4 (g) +2 O 2 (g) CO 2 (g) +2 H 2 O(l) H =-890 kj 2. 정반응의 H 와역반응의 H 는크기는같고부호는반대이다. 3. H 는반응물과생성물의상태에의존한다. Ex) 메테인가스 4.50 g 을일정압력에서연소시킬때, 얼마의열이방출되는가? H 3 = -802 kj H = 88 kj CO 2 (g) + 2 H 2 O(g) 250 kj 의열을방출

상승시키는데필요한열의양몰열용량 (C m, Molar heat capacity): 물질 1 mol 의열용량 비열

17 열계량법 열용량과비열 열계량법 (Calorimetry): 열흐름을측정하는방법열량계 (Calorimeter): 열흐름을측정하는기기 열용량 (Heat capacity): 물체의온도를 1 K ( 또는 1 C) 상승시키는데필요한열의양몰열용량 (C m, Molar heat capacity): 물질 1 mol 의열용량 비열 (C s, Specific heat capacity): 물질 1 g 의열용량 Ex) 물의몰열용량은? ( 물의비열 =4.18 J/g K)

18 열계량법 일정압력열계량법 Ex) 1.0 M HCl 50 ml 와 1.0 M NaOH 50 ml 를커피컵열량계에섞으니용액온도가 21.0 C 에서 27.5 C 로증가하였다. 반응엔탈피는? ( 열량계의열량손실은무시. 용액의부피는 100 ml. 용액의밀도는 1.0 g/ml. 비열은 4.18 J/g K.) HCl(aq) + NaOH(aq) H 2 O(l) + NaCl(aq) 반응열 ( H) 의측정 H = q p

19 열계량법통열계량법 ( 일정부피열계량법 ) 통열량계 (Bomb calorimter) Ex) 메틸하이드라진 (Methylhydrazine, CH 6 N 2 ) 은액체로켓연료로일반적으로사용된다. 메틸하이드라진을산소로연소시키면 N 2 (g), CO 2 (g), H 2 O(l) 를발생시킨다. 2 CH 6 N 2 (l) +5 O 2 (g) 2 N 2 (g) +2 CO 2 (g) +6 H 2 O(l) 메틸하이드라진 4.00 g 을통열량계에서연소시켰을때열량계의온도가 C 에서 C 로증가하였다. 1 mol CH 6 N 2 의연소에서발생한열은? ( 열량계의열용량은 kj/ C) 내부에너지의변화량 ( Ε) 의측정 Ε = q + w = q - P V = q V

20 Hess 의법칙 어떤반응이한단계로진행하거나, 여러단계를거쳐진행하거나그반응의 H 는같다. Germain Henri Hess (Swiss-born Russian Chemist, ) H: 상태함수 Ex) C 가 CO 2 로변할때의연소엔탈피는 kj/mol C 이고, CO 로부터 CO 2 로변할때의연소엔탈피는 kj/mol CO 이다. C 로부터 CO 로변할때의연소엔탈피는?

21 생성엔탈피 생성엔탈피 [Enthalpy of formation ( H f )]: 화합물의구성원소 ( 원소형태 ) 로부터그화합물이생성되는데수반된엔탈피변화량 표준생성엔탈피 [Standard enthalpy of formation ( H o f)]: 표준상태에서화합물의구성원소 ( 원소형태 ) 로부터그화합물이생성되는데수반된엔탈피변화량 ( o : 표준상태, 1 bar) * 기체에대한표준상태의정의는 1 bar (1 atm = bar) 인데, 1 atm ( 기압 ) 보다는약간낮은압력이다. 대부분의경우이차이는표준엔탈피변화에서큰차이를나타내지않는다.

22 생성엔탈피 생성엔탈피를이용한반응엔탈피의계산 CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(l) H o r? H o r = H o (a) + H o (b) + H o (c) + H o (d) = - H o f{ch4(g)} - 2 H o f{o2(g)} + H o f{co2(g)} + 2 H o f{h2o(l)} = -891 kj H o r = Σn p H o f( 생성물 ) - Σn r H o f( 반응물 ) C(s) + 2H 2 (g) CH 4 (g) CH 4 (g) C(s) + 2H 2 (g) H o (b) = 0 C(s) + O 2 (g) CO 2 (g) H o f = -75 kj/mol H o (a) = 75 kj/mol H o f = H o (c) = -394 kj/mol (1/2)O 2 (g) + H 2 (g) H 2 O(l) O 2 (g) + 2H 2 (g) 2H 2 O(l) H o f = -286 kj/mol H o (d) = 2 x Η o f = -572 kj

23 생성엔탈피 생성엔탈피를이용한반응엔탈피의계산 Ex) 1 mol 의벤젠 [C 6 H 6 (l)] 이연소하여 CO 2 (g) 와 H 6 O(l) 를만드는반응의표준엔탈피변화를계산하시오. Ex) 1.00 g 메테인, 1.00 g 프로페인, 1.00 g 벤젠이연소할때생성되는열량을비교하시오 CH 4 (g): (-891 kj/mol)(1 mol/16.0 g) = kj/g * 일반적으로 1 g 탄화수소의연소로부터얻을수있는에너지는대략 40 과 50 kj 사이

24 식품과연료 식품 연료값 (Fuel Value): 1 g 의물질이연소할때방출하는에너지 글루코스 : 탄수화물의구성성분중하나 연료값 = -(-2803 kj/mol)(1 mol/180.2 g) = 15.9 kj/g 식품섭취후남는에너지는 ( ) 으로저장? ( 무엇이가장효율적인가?)

25 식품과연료 연료 연료값 (Fuel Value): 1 g 의물질이연소할때방출하는에너지 An Inconvenient Truth

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No Slide Title 제 6 장열화학 : 에너지흐름과화학적변화 6.1 에너지형태와상호변환 6.2 엔탈피 : 일정압력에서화학적변화 6.3 열량측정법 : 화학적혹은물리적변화에서열측정 6.4 열화학방정식의화학량론 6.5 헤스 (Hess) 의법칙 : 반응식의 DH 구하기 6.6 반응의표준엔탈피 (DH 반응 ) 6-1 6.1 에너지의형태와상호변환 열역학 (Thermodynamics) 은에너지와에너지의전환을다루는학문이다.