Chemistry: The Study of Change

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한별 삼
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1 열화학 6.1 에너지의본질과에너지의종류 6.2 화학반응에서의에너지변화 6.3 열역학서론 6.4 화학반응의엔탈피 6.5 열계량법 6.6 표준생성엔탈피와표준반응엔탈피 6.7 용해열과묽힘열 Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

2 6.1 에너지의본질과에너지의종류 에너지 (Energy) : 일을할수있는능력 운동에너지 (kinetic energy): 움직이는물체가가진에너지 열에너지 (Thermal energy) : 원자와분자의무질서한운동과관련된에너지 퍼텐셜에너지 (Potential energy) : 발현되지않은운동에너지 화학에너지 : 화학물질의단위구조내에저장되어있는에너지 중력에너지 : 물체의중력을이용 탄성에너지 : 물체의탄성을이용 전기에너지 : 전하간의상호작용을이용 자기에너지 : 자력을이용 빛에너지 : 전자기에너지 핵에너지 : 원자내의중성자와양성자의응집에의해저장되는에너지

3 6.2 화학반응에서의에너지변화 화합물마다저장하고있는에너지가다르다. 화학반응은열의형태로남는에너지를흡수또는방출 열 (heat): 온도가서로다른두물체사이의열에너지 (thermal energy) 의이동 열화학 (thermochemistry): 화학반응에서열변화에대한연구 열의흡수또는방출

4 계 (system) 화학반응과관련된에너지변화 계 (system): 우리가관심을갖는우주의특정한부분 ( 물리화학적변화를일으키는물질을포함하여계라고명명.) 주위 (surroundings): 계밖의모든우주 계 + 주위 = 우주

5 계의종류 열린계닫힌계고립계 열린계 : 계와주위사이에물질과에너지가교환가능 닫힌계 : 에너지 ( 열 ) 는이동할수있지만물질은이동할수없는계 고립계 : 물질이나에너지모두이동이허용되지않는계

6 발열과정 발열과정은계에서주위로열이방출하는과정 발열반응에서생성물의전체에너지는반응물의전체에너지보다작음. [ 반응물에너지 > 생성물에너지 ] 계 -> 주위로에너지이동

7 흡열과정 흡열과정은주위에서계로열이흡수하는과정 흡열반응에서생성물의전체에너지는반응물의전체에너지보다큼. [ 반응물에너지 < 생성물에너지 ] 주위 -> 계로에너지이동

8 6.3 열역학서론 열역학 (Thermodynamics) : 열과다른종류의에너지와의상호변환관계를과학적으로연구하는학문 열역학에서는계의상태변화를연구 열화학 : 화학반응에수반되는열의변화를연구

9 열역학제 1 법칙 에너지보존의법칙 : 에너지는한형태에서다른형태의에너지로전환될수있지만, 만들어지거나파괴될수없음 우주의에너지총량은일정하다. 계 + 주위 = 우주 계, 주위, 또는우주의내부에너지변화는열과일의양의합과같다. ΔU = q + w

10 계의상태변화 계상태 1 계상태 2 열 열 발열 흡열 10

11 계의상태의변화 : 온도, 압력, 부피, 물질의조성, 열역학에너지의변화. (PV = nrt) 상태함수또는상태변수라고불린다. (P, V, n, T) 상태변수각각의변화는처음과끝의상태에의해서결정된다. T = T T P= P P V = V V n= n n f f f f i i i i

12 황은공기중에서타서 SO 2 를형성 열을방출한다는것은반응물에포함된화학에너지의일부가열에너지로전환되었다는것을의미 반응물로부터주위로에너지가이동되어도우주전체의에너지변화는 0 또는 열역학제 1 법칙

13 황 1 mol 과산소기체 1 mol 이반응하여이산화황 1 mol 을생성하는반응 내부에너지 ΔU 계는반응물분자인 S 와 O 2, 생성물분자인 SO 2 로구성 계에서반응물이나생성물이가진내부에너지는알수없지만, 에너지변화 (ΔU) 는정확하게측정가능 이반응은발열반응 생성물의에너지는반응물의에너지보다작으며, 따라서 ΔU 는음의값

14 계에서의내부에너지변화 ΔU = q + w Δ U : 계의내부에너지의변화 q : 교환한열의양 w : 교환한일의양

15 일 (work) 일 (w) = 힘 (F) x 거리 (d) w = F x d 기체가팽창하면일정한외부대기압 P 에대해서피스톤을밀어올림 기체가주위에한일 : w = -P ΔV, ΔV=V f V i 기체가팽창하여 ΔV 가양이되면 -P ΔV 는음의값 기체가압축되어 ( 계에일을하는경우 ) ΔV 가음이되면 -P ΔV 가양의값

16 w = -P ΔV = ( 힘 / 면적 ) X 부피 P x V = F d 2 압력 x d 3 = F x d = w 부피 F 는거스르는힘이고 d 는길이, d 2 은면적, d 3 은부피 일의단위 : L atm (1 L atm = J ) L = 10-3 m 3 atm 단위 = N/m 2

17 열 계와주위의온도차이로발생한다. 열이동 T 373K T 273K

18 경로함수 열과일은경로함수이다. ( 상태의변화가진행되는과정에따라값이달라짐 ) 이값들은과정의경로에의존하고, 이에따라다양 예 ) 물 100g 의온도를 20 -> 30 로높이기 경로 1: 버너로데운다. 경로 2: 젓가락으로휘저어주기 경로 3: 경로 1 + 경로 2

19 6.4 화학반응의엔탈피 화학반응이일정부피에서일어날때, ΔV =0 이고, ΔU = q + w 에서, w=0 이므로 ΔU= q v 화학반응은일정부피보다는일정압력에서일어나는경우가많다. 때문에, 이경우 ΔU= q + w = q P - PΔV, --> q P = ΔU +PΔV

20 일정압력에서화학반응이일어나는경우 q P = ΔU +PΔV 엔탈피 (enthalpy, H) 엔탈피 (enthalpy): H = U + PV 로정의 U, P, V는모두상태함수 H는상태함수이기때문에 H의변화, 즉 ΔH 또한오직초기상태와최종상태에만의존 ΔH = ΔU + Δ(PV) 일정압력에서, Δ(PV)= PΔV 이므로, ΔH = ΔU + PΔV = q P ΔH = q P 일정압력에서열변화 q P = H

21 반응엔탈피 대부분의화학반응은일정압력에서일어나기때문에열의변화는엔탈피의변화임 반응엔탈피 (ΔH 반응, enthalpy of reaction): 생성물의엔탈피와반응물의엔탈피의차이 ΔH = H ( 생성물 ) H ( 반응물 ) ΔH = 일정압력하에서반응중에방출하거나흡수하는열

22 흡열반응 0 0 C, 1 atm에서얼음 1mole이녹아물이될때흡수한열에너지는 6.01 kj H 2 O (s) H 2 O (l) ΔH = 6.01 kj/mol ΔH 는음수인가양수인가? 계가열을흡수 흡열 ΔH > 0

23 발열반응 0 0 C, 1 atm 에서물 1mole 이얼때방출한열에너지는 6.01 kj H 2 O (l) H 2 O (s) ΔH = kj/mol ΔH 는음수인가양수인가? 계가주위로방출한열 ΔH = kj/mol 계가열을방출 발열 ΔH < 0

24 열화학반응식 열화학반응식 (thermochemical equation): 화학반응식과함께엔탈피변화도보여주는식 1. 열화학반응식을쓸때모든반응물과생성물에대해서물리적상태를 표시 H 2 O (s) H 2 O (l) ΔH = 6.01 kj/mol H 2 O (l) H 2 O (g) ΔH = 44.0 kj/mol 2. 역반응으로나타낸때 ΔH 의부호도변화 H 2 O (l) H 2 O (s) ΔH = kj/mol

25 ΔH 와 ΔU 의비교 소듐금속과물의반응 생성물중하나가수소기체. 대기속으로들어가기위해서공기를밀어냄 반응결과로생성된에너지의일부는대기압 (P) 에대항하여어느정도부피 ( V) 의공기를밖으로밀어내는일에사용됨

26 기체상반응에서내부에너지를계산하는또다른방법 일정한온도에서이상기체라고가정

27 6.5 열계량법 열계량법 (calorimetry): 열량계를이용하여화학반응의열변화를측정하는방법 열량계 (calorimeter): 실험실에서물리적, 화학적과정에나타나는열변화측정하기위해특별하게고안한밀폐된용기

28 비열 (specific heat, c): 어떤물질 1 g 의온도를 1 올리는데필요한열량으로단위는 J/(g ), 세기성질 H 2 O 의비열 : 4.184J/(g ) 열용량 (heat capacity, C): 일정한양의물질을온도 1 올리는데필요한열량을말하며단위는 J/, 크기성질 크기성질 열용량 = 비열 X 질량 (C = c X m) 열 = 열용량 X 온도의변화 q = C X ΔT

29 일정부피열계량법 강철용기에질량을알고있는시료를넣고약 30 atm 의산소로채워측정 시료를전기적으로점화, 물의온도변화를측정함으로써연소반응에서생성된열을정확하게계산 반응과정에서열의출입이없기때문에, 계의열변화 (q 계 ) 는 0 q 열량계를계산하기위해, 열량계의열용량 (C 열량계 ) 과온도변화가필요 C 열량계는연소열이정확히알려져있는물질을태워서보정 C 열량계가결정되면, 그열량계는다른물질의연소열을측정하는데사용

32 일정압력열계량법 비연소반응의열량변화를측정하는데사용 압력이일정하므로, 이과정에대한열변화 (q 반응 ) 는엔탈피변화 (ΔH) 와동일 q 계 = q 열량계 + q 반응 q 계 = 0 q 반응 = - q 열량계 q 열량계 = C 열량계 x Δt 일정압력에서의반응 열의출입이없음 = 단열 ΔH = q 반응

33 6.6 표준생성엔탈피와표준반응엔탈피 어떤물질에대한엔탈피의절대값을측정하는방법은없음 다만임의의기준에대한상대적인값만을구할수있음. 모든엔탈피표현식에대한기준점을표준생성엔탈피 (standard enthalpy of formation, ΔH f0 ) O 3 ΔH f 0 = 142 kj/mol O 2 ΔH f 0 = 0 kj/mol

34 표준생성엔탈피 (Standard enthalpy of formation, ΔH f0 ) : 1atm 에서각원소로부터 1mole 의화합물을생성할때열의변화 표준상태 (standard state): 1 atm 에있는원소들 위첨자 는표준상태 (1 atm) 의조건이라는뜻 아래첨자 f 는생성 (formation) 을의미 가장안정한상태에있는모든원소들의표준생성엔탈피는 0 ΔH f 0 (C, 흑연 ) = 0 ΔH f 0 (C, 다이아몬드 ) = 1.90 kj/mol

36 표준반응엔탈피 (ΔH 반응 0 ) 계산 1 atm 에서진행되는어떤반응의엔탈피 표준생성엔탈피를이용해계산할수있음 aa + bb cc + dd ΔH 반응 0 ΔH 0 = f ( 생성물 ) - ΔH 0 f ( 반응물 ) ΔH 0 반응 = [ cδh 0 f (C) + dδh f0 (D)] - [ aδh 0 f (A) + [bδh 0 f (B) ] m 과 n 은반응물과생성물의화학량론적계수

37 ΔH f 0 를구하는두가지방법 1) 직접법 원소로부터쉽게합성할수있는화합물의반응엔탈피로부터구함 이산화탄소의생성엔탈피 (ΔH f0 )? 표준상태에서탄소 ( 흑연 ) 와산소분자가표준상태에있는이산화탄소로될때의반응엔탈피를측정 흑연과산소는안정한원소의형태이므로 ΔH f 0 (C, 흑연 ) 와 ΔH f 0 (O 2, g) 는 0.

38 2) 간접법 많은화합물은원소로부터직접합성할수없음 ΔH f0 를헤스의법칙을이용하여계산 헤스의법칙 (Hess s Law) : 화학반응이일어날때엔탈피변화는그반응이한단계로일어나든여러단계로일어나든동일 엔탈피가상태함수이므로 ΔH 는초기상태와최종상태에만의존 ( 즉, 반응물과생성물의종류에만의존 ) 한다는사실에기초 S1 H 1 S2 S3 H 2 H 3 H 1 =H 2 +H 3 38

39 흑연에서일산화탄소 (CO) 의표준생성엔탈피 39

40 6.7 용해열과묽힘열 용해열 용질이용매에녹으면상당량의열을흡수하거나방출 용해엔탈피 (enthalpy of solution, ΔH 용해 0 ): 어떤용질이어떤용매에녹을때방출하거나흡수하는열량 ΔH 용해 = H 용액 H 성분 H 용액이나 H 성분은측정할수없으나, 그차이인 ΔH 용해는일정압력열량계로쉽게결정 ΔH 용해는흡열과정에서양의값을, 발열과정에서음의값

41 고체 NaCl 이물에녹을때의용해열 용해과정을두단계로생각 1. 고체내의 Na + 와 Cl - 이온들이서로분리되어기체상태로변화 격자에너지고체이온결합화합물 1 mol 을기체이온으로완전히분리시키는데필요한에너지 2. 기체 Na + 와 Cl - 이온이물속에들어가는수화과정 수화열 (heat of hydration, ΔH 수화 ) 수화과정에관련된엔탈피변화

42 헤스의법칙을적용 ΔH 용해는격자엔탈피 (ΔH 격자 ) 와수화열 (ΔH 수화 ) 두가지의합

43 묽힘열 용매를더가해서용질의전체농도를낮출때, 대개열이발생하거나흡수 묽힘열 (heat of dilution) 묽힘과정에관련된열변화 용해과정이흡열과정이고, 그용액이더묽어진다면, 더많은열이주위로부터용액에흡수 용해과정이발열과정이라면묽힐때더많은열을방출

Thermochemistry

Thermochemistry 제 6 장. 열화학 6.1 에너지의본질과에너지의종류 6.2 화학반응에서의에너지변화 6.3 열역학서론 6.4 화학반응의엔탈피 6.5 열계량법 6.6 표준생성엔탈피와표준반응엔탈피 6.7 용해열과묽힘열 6.1 에너지의본질과에너지의종류 에너지 (energy): 일을하거나열을발생시킬수있는능력. 에너지의단위 : 주울 (Joule, J) = kg m 2 /s 2 일 (work):