15 화학평형
(hysical Science) Thermodynamic equilibrium, when internal processes of a system cause no overall change in temperature or pressure Dynamic equilibrium, when two reversible processes (in thermodynamics) occur at the same rate Chemical equilibrium, when a chemical reaction proceeds at the same rate as its reverse reaction, with no change in the amount of each compound Mechanical equilibrium, when the sum of the forces and moments on each particle of a system is zero Quasistatic equilibrium, when internal processes change gradually from one equilibrium state to the next (Mathematics) n equilibrium point of a dynamical system. (Biological Science) unctuated equilibrium, a part of evolutionary theory that states that speciation occurs relatively quickly with long periods of little change in between. (Economics) Economic equilibrium, a balance of supply and demand Static equilibrium (economics), an intersection of supply and demand General equilibrium, a complex theory of microeconomics atterson equilibrium, a theory of efficiency and system disruption (Game theory) Nash equilibrium, an optimal collective strategy in a game involving two or more players (Ethics) Reflective equilibrium, a state of balance among a set of beliefs (from Wikipedia) 평형 (Equilbrium) Equilibrium: The condition of a system in which competing influences are balanced.
평형의개념 NO 2 + NO 2 (g) N 2 O 4 (g) 화학평형 (Chemical equilibrium): 모든반응물과생성물의농도가변하지않는상태. 분자레벨에서평형은정적인상태 (static state) 가아니라동적인상태 (dynamic state) 이다. NO 2 + NO 2 (g) N 2 O 4 (g)
평형의개념 평형상태에서정반응과역반응의반응속도는같다.
평형상수 N 2 (g)+ 3H 2 (g) 2NH 3 (g) 25 o C 에서농도변화가관찰되지않았다고하자. 가능성 1. 이계는화학평형상태에있다. 2. 정반응과역반응이매우느려계가평형상태로움직이는속도가관찰될정도로충분히빠르지않다. 높은온도, 압력에서 화학평형에도달하기위해서는관측될수있을정도로반응속도가충분히빨라야한다. 평형의조건은양쪽어느방향으로부터도도달할수있다. 공통점은무엇?
평형상수 질량작용의법칙 (Law of mass action) : Cato Maximilian Guldberg, eter Waage's postulation (1864) a + b B d D + e E 평형에서, 평형조건은평형식 (Equilibrium expression) 으로쓸수있다. ( 평형식 평형상수식 (Equilibrium constant expression) d e [ D] [ E] Kc ( a b [ ] [ B] K) []: 평형에서의농도 K c : 평형상수 (Equilibrium constant) (no unit) Ex) 다음반응의평형상수식 K c 를쓰시오.
평형상수 K c 계산하기
평형상수압력으로나타낸평형상수, K p j(g) + kb(g) lc(g) + md(g) ( ) ( ) k j m l n RT K RT RT RT RT RT B D C K n p m l k j k B j m D l C k B j m D l C k j m l c + + ] [ ] [ ] [ ] [ RT RT RT V n RT n V ] [ ] [ ( ) k j m l n RT K K K n c p k B j m D l C p + Ex) Haber 공정에서 300 C 에서 K c 9.60 일때, 이온도에서이반응의 K p 를계산하시오
평형상수 평형상수와단위 j(g) + kb(g) lc(g) + md(g) K c l [ C] [ D] j [ ] [ B] m k []: 평형에서의농도 K c : 평형상수 (Equilibrium constant) (no unit)? 원래평형상수는농도나부분압력보다는활동도 (activity) 로정의 K a a l C j a a m D k B [ ] a 1M 몰농도 (no unit)
평형상수의해석과다루기 평형상수의크기 평형에서 COCl2 2 의농도가 CO, Cl 2 의농도보다훨씬크다. 평형이오른쪽에있다. Ex) 다음의그림은같은크기의용기에들어있는평형상태에서의세가지계를나타낸것이다. (a) 계산을하지말고 K c 가큰순서대로나열하시오. (b) 용기의부피가 1.0 L 이고, 각각의구가 0.10 mol 일때, 각각의계에대하여 K c 를구하시오.
평형상수의해석과다루기 화학반응식과 K 일때 의 K c? 의 K c? (0.212) 2 0.0449 (100 o C 에서 ) 의 K c? 일때
불균일평형 균일평형 (homogeneous equilibrium) 에서존재하는모든화학종은같은상 (phase) 이다. 불균일평형 (heterogeneous equilibrium) 에서는다른상 (phase) 의화학종이같이존재한다. 2+ [ b ][ Cl ] K' [ bcl ] K c 2 2 [ b 2+ ][ Cl C 2+ [ b ][ Cl 1 ] 2 ] 2 순수한고체나액체의농도는일정 ( 상수 ). 활동도가 1 CaCO 3 (s) CaO(s) + CO 2 (g) K c [ CO2 ] K p pco 2 불균일평형의위치는존재하는순수한고체나액체의양과무관
불균일평형 Ex) 다음혼합물들이각각밀폐용기에담겨있다. 평형에도달할수있는것은? (a) CaCO 3 (s) (b) K p 값보다더큰압력하에서 CaO(s) 와 CO 2 (g) (c) K p 값보다더큰압력하에서 CaCO 3 (s) 와 CO 2 (g) (d) CaCO 3 (s) 와 CaO(s) CaCO 3 (s) CaO(s) + CO 2 (g) (c) 를제외한모두 Ex) 의평형상수식? K c + [ NH 4 ][ OH [ NH ] 3 ]
평형상수의계산 모든평형농도가알려졌을때 K 의계산 Ex) 다음반응의평형상수 K p? 수소와질소기체의혼합물이 472 C 의반응용기에서평형을이룬다. 평형기체혼합물을분석하였더니 7.38 atm H 2, 2.46 atm N 2, 0.166 atm NH 3 를포함하고있다.
평형상수의계산 초기농도와평형농도로부터 K 의계산 Ex) 다음반응의평형상수 K c? 448 C 에서 1.000 10-3 M H 2 와 2.000 10-3 M I 2 혼합물이닫힌계에서평형에도달하였다. 혼합물을분석한결과 HI 농도가 1.87 10-3 M 이었다. 화학평형문제풀기 1 1. 균형잡힌화학반응식을구한다. 2. 초기농도, 농도변화, 평형농도를도표화한다. 3. 알려진농도값들로부터빈칸을채운다. 4. 평형상수값을구한다. 3-1. [H 2 ], [I 2 ] 의변화량 1.87 x 10-3 M/2 0.935 x 10-3 M 3-2. [H 2 ] 의평형농도 1.000 x 10-3 M - 0.935 x 10-3 M 0.065 x 10-3 M 3-2. [I 2 ] 의평형농도 2.000 x 10-3 M - 0.935 x 10-3 M 1.065 x 10-3 M 4. - 0.935 x 10-3 - 0.935 x 10-3 0.065 x 10-3 1.065 x 10-3
평형상수의응용 평형방향의예측 반응지수 (reaction quotient) Q: 반응물과생성물의농도또는부분압력을평형상수식에대입하여얻어진수 Q c j + kb lc + md [ C] [ D] l m l m [ C] 0 [ D] 0 K j k c j k [ ] 0 [ B] [ ] [ B] 0 [C] 0 : 초기농도 [C]: 평형농도 Q K : 평형상태, 평형의이동이없음 Q > K : 평형에도달하기위해, 반응물 생성물 Q < K : 평형에도달하기위해, 반응물 생성물
평형상수의응용 평형농도의계산 화학평형문제풀기 2 1. 균형잡힌화학반응식을구한다. 2. 초기농도, 농도변화, 평형농도를도표화한다. 3. Q 값을계산하고평형이동의방향을결정한다. 4. 농도변화량을변수로하여평형농도를구한다. 5. 평형상수식에평형농도를대입하여변수를구하고평형농도를계산한다. 6. 검토 Ex) 500 C 에서 Haber 공정 의 K p 1.45 10-5 이다. 500 C 에서세가지기체의평형혼합물중 H 2 의부분압력은 0.928 atm, N 2 의부분압력은 0.432 atm 일때, 이평형혼합물중 NH 3 의부분압력은얼마인가?
평형상수의응용 평형농도의계산 화학평형문제풀기 2 1. 균형잡힌화학반응식을구한다. 2. 초기농도, 농도변화, 평형농도를도표화한다. 3. Q 값을계산하고평형이동의방향을결정한다. 4. 농도변화량을변수 (x) 로하여평형농도를구한다. 5. 평형상수식에평형농도를대입하여변수를구하고평형농도를계산한다. Ex) 448 C 에서 1.000 L 플라스크에 1.000 mol H 2 와 2.000 mol I 2 를채웠다. 448 C 에서이반응의평형상수 K c 는 50.5 이다. 리터당몰수로 H 2, I 2, HI 의평형농도는얼마인가? Q 0 평형 > -x -x 2x 1.000-x 2.000-x 2x 6. 검토
Le Châtelier 원리 N 2 (g)+ 3H 2 (g) 2NH 3 (g) in Haber-Bosch rocess Haber tried to maximize the product. 주의 : 열역학적으로낮은온도가유리하나, 반응속도의영향을고려해야한다.
Le Châtelier 원리
Le Châtelier 원리 반응물또는생성물의농도변화 평형에있는한계의어떤물질 ( 반응물이든생성물이든 ) 의농도가증가하면, 그계는이물질의일부를소모하도록반응한다. 역으로한물질의농도가감소하면, 그계는이물질을더많이만들도록반응한다. 온도가변하지않으면평형상수는일정. 계의평형이깨어지면, 계가다시평형으로가려고한다는것이 Le Châterlier 의원리이다.
Le Châtelier 원리 반응물또는생성물의농도변화 Haber 공정 NH 3 의제거평형의이동방향 : 정
Le Châtelier 원리부피와압력변화의효과 ( 기체 ) j(g) + kb(g) lc(g) + md(g) K p l C j m D k B 1. 기체반응물또는생성물의첨가또는제거 : 농도변화와같은효과 2. 희유기체의첨가 ( 또는반응에참여하지않는기체의첨가 ): 평형에영향을끼치지않음 1atm, 1atm, B B 2atm, 2atm, C C 3atm, 3atm, D D adding 5atm of He 4atm, 4atm > He total 5atm > 10atm total 15atm 3. 반응용기의부피변화 : 부피를감소시키면평형은기체의몰수를감소시키는방향으로이동부피를증가시키면평형은기체의몰수를증가시키는방향으로이동 2, Q (2 (2 n > 0, equilibrium. p V V 2 2, B C B l ) (2D ) j ) (2 ) B C 2 m k K n < C p, 2 n D 2 0, equilibrium D. 2NO 2 (g) N 2 O 4 (g) brown colorless
Le Châtelier 원리 온도변화의효과 평형에있는계의온도를증가시키면계는흡열반응에서는반응물을더한것처럼, 발열반응에서는생성물을더한것처럼반응한다. 평형은과량의반응물또는생성물, 열을소모하는방향으로이동한다. 평형상수는온도의함수
Le Châtelier 원리 Ex) 다음반응에서평형의이동방향을예측하시오. 2NO 2 (g) N 2 O 4 (g) + 58kJ brown colorless None
Le Châtelier 원리 Ex) (a) 부록 C 의표준생성열을사용하여다음반응의표준엔탈피변화를구하시오. (b) 이반응의평형상수가온도에따라어떻게변하는지쓰시오. (a) (b) 발열반응. T Kp
Le Châtelier 원리 촉매효과 촉매를사용하면, 평형도달속도는증가하지만, 평형조성은변화되지않는다.
종합개념 Ex) 800 C 부근의온도에서뜨거운코크스 ( 석탄에서얻어진탄소의일종 ) 에증기를통과시켜 CO 와 H 2 를생성시킨다. 혼합기체는수성가스 (water gas) 라는중요한공업용연료이다. (a) 800 C 에서이반응의평형상수 K p 14.1 이다. 1.00 L 용기에서고체탄소와 0.100 mol H 2 O 를반응시킬때, 이온도에서평형혼합물중 H 2 O, CO, H 2 의평형부분압력은얼마인가? (b) 이조건에서평형에도달하기위하여필요한최소탄소량은얼마인가? (a) (b) 6.14 atm 의 H 2 O 반응. 최소 0.0697 mol( 0.836 g) 의 C(s) 가필요.
종합개념 Ex) 800 C 부근의온도에서뜨거운코크스 ( 석탄에서얻어진탄소의일종 ) 에증기를통과시켜 CO 와 H 2 를생성시킨다. 혼합기체는수성가스 (water gas) 라는중요한공업용연료이다. (c) 평형에서의전체압력은얼마인가? (d) 25 C 에서이반응의 K p 1.7 10-21 이다. 발열반응인가? 흡열반응인가? (e) 평형에서최대의 CO 와 H 2 량을생산하기위해서는계의압력을증가시켜야하는가감소시켜야하는가? (c) (d) T K p > 흡열반응 (e) 감소