제 8 장화학반응과에너지 8-0. 학습개요 모든화학반응에는에너지가관여되며, 이에너지가화학결합에저장된다. 화학결합이깨어질때는에너지를흡수하고, 새로운결합이생성될때에는에너지가방출된다. 반응물과생성물의에너지에따라전체화학반응은에너지를방출하거나흡수한다. 따뜻한모닥불을피울때에무슨일이일어나는가? 모닥불의연소과정은에너지를방출하는일련의화학반응으로이에너지가우리를따뜻하게해준다. 식물에서일어나는광합성은탄산가스와물로부터포도당과산소를생성하기위해태양에너지를흡수한다. 이장에서는화학반응중의에너지변화를학습한다. 학습목표 (Objectives) 이장의학습을마치면다음을알게될것이다. 열흐름이분자운동에미치는영향 발열반응과흡열반응 응고, 용융, 기화반응 열흐름문제해결 헤스의법칙 (Hess s Law) - 1 -
8-1. 열흐름과분자 ( 원자 ) 운동 열에너지 (Heat Energy) 와온도 (Temperature) 는같은것이아니다. 에너지는물질의크기성질 (Extensive property) 이며따라서물질의양이달라지면그양이달라진다. 그러나온도는세기성질 (Intensive property) 로물질의양이달라져도그양이변하지않는다. 열에너지의국제표준단위는줄 (Joules : J) 이고, 온도의국제표준단위는켈빈 (Kelvin : K) 이다. 열에너지와온도는연관이있는데이는온도는열에너지가흐르는발향을결정해주기때문이다. 만일손위에얼음을올려놓으면온도가높은손에서온도가낮은얼음으로열에너지가이동되며결국얼음이녹게된다. 열에너지는다음과같은방법으로이동된다. 전도 (Conduction) 고체상태의원자에서원자로열에너지의이동 대류 (Convection) 유체상태에서수직질량운동에의한열에너지의이동 이류 (Advection) 유체상태에서수평질량운동에의한열에너지의이동 복사 (Radiation) 전자기파에의한열에너지의이동 [ 열에너지의전달방법 : 전도, 대류, 복사 ] Ÿ 열에너지흐름의실험 -> Click here for an Experiment on Heat Energy flow. - 2 -
열에너지는운동에너지 (Kinetic Energy) 와퍼텐셜 ( 위치 ) 에너지 (Potential Energy) 로구성되어있다. 따라서열에너지가증가되면다음두가지의변화가일어난다. 운동에너지가증가되며, 분자운동의증가와온도의상승이일어난다. 퍼텐셜에너지가증가되며, 온도의증가가없거나미미하며상변화가일어난다. 손위의얼음문제로되돌아가보면, 손의열에너지일부는고체인얼음의운동에너지와온도를높이고다른일부는얼음의 H 2 O분자사이의인력을깨뜨려액체상태로만들어퍼텐셜에너지를증가시키나온도는변화시키지않는다. 열흐름 (Q) 을받을수있는능력은물질에따라다르며이를그물질의열용량 (Heat Capacity : C) 이라하는데이의 SI단위는줄 / 켈빈 (J/K) 이다. 열용량의다른해석은열에너지를더할때온도가변하는속도이다. 열용량은원소나화합물의크기성질 (Extensive property) 이다. 크기성질인열용량을그물질의몰수로나누어주면이는세기성질 (Intensive property) 로변환된다. 이세기성질은비열용량 (Specific Heat Capacity : C) 으로이의국제표준단위는줄 / 몰. 켈빈 (J/molK) 이다. 어떤물질의비열용량은그물질 1Kg의온도를 1K 올리는데필요한열에너지이다. 열에너지흐름 (Q) 은다음식으로계산한다. Q = c x m x (T 2 T 1 ) 이식에서 c 는비열용량 (J/molK), m 은물질의몰수 (mol), T 2 는최종온도 (K), 그리고 T 1 은최초의온도 (K) 이다. [ 열용량 / 비열 ] Ÿ 여러물질의비열용량을구하는실험 -> Click here for an Experiment where you can determine Specific Heat Capacities for various substances. - 3 -
엔탈피 (Enthalpy) 모든수수한물질은엔탈피 (Enthalpy : H) 라부르는독특한열에너지를가지고있다. 1몰의순수한물질은몰엔탈피를가지고있는데이의 SI단위는줄 / 몰 (J/mol) 이다. 손위의얼음의경우고체 H 2 O 1몰의엔탈피 (H 2 ) 가있고, 액체 H 2 O 1몰의엔탈피 (H 2 ) 도있다. 이들 H 1 이나 H 2 값은측정이불가능하나얼음이녹을때의엔탈피변화 (ΔH) 는측정이가능하다. H 2 H 1 =ΔH 또는 H 고체 - H 액체 =ΔH 용융 = 6.0 kj/mol 이렇게구한용융엔탈피 (Enthalpy of Fusion : ΔH 용융 ) 는 1몰의 H 2 O에대한값으로이것이 1몰의고체 H 2 O를 1몰을액체 H 2 O로녹이는데필요한열에너지이다이는 1몰의액체 H 2 O를얼리는데필요한열에너지와크기가같으나열이흐르는방향이반대이기때문에그값은 -6.0 kj/mol이된다. [25 o C 에서 125 o C 까지의 H 2 O 의가열곡선 ] H 2 O의용융엔탈피 (ΔH 용융 = 6.0 kj/mol) 를기화엔탈피 (ΔH 기화 = 41.0 kj/mol) 와비교해보면액체 H 2 O를기체 H 2 O로바꾸는것이액체 H 2 O를고체 H 2 O로바꾸는것보다더많은열에너지가필요하다는것을알수있다. Ÿ 물의용융엔탈피를구하는실험 -> Click here to perform an Experiment where you calculate the Enthalpy of Fusion for water. Ÿ 엔탈피와상변화퀴즈 -> Click here to take a Quiz on Enthalpy of Phase Change. - 4 -
상변화엔탈피이외에도화학변화의엔탈피도있는데이에는결합형성엔탈피 (ΔH f ), 용해 엔탈피 (ΔH sol ), 연소엔탈피 (ΔH c ), 중화엔탈피 (ΔH neut ) 등이있다. 비디오수업자료 (Video Instruction) * 다음의유튜브비디오는없어졌거나내용이변경되었을수있다. 열 : Bill Nye the Science Guy on Heat (2:06) 열역학 3-열의전달 : Thermodynamics 3 Heat Transfer (10:22) 열에너지의전달 : Transfer of thermal energy (4:24) - 5 -
8-2. 발열및흡열반응 화학반응이진행되면그반응계 (system) 는주위에열에너지를내놓거나 ( 발열반응 ) 또는 주위에서열에너지를흡수 ( 흡열반응 ) 한다. 발열반응 (Exothermic Reactions) 화학반응에서열에너지가주위로방출되면이반응은발열반응 (Exothermic) 이다. 발열반응의경우아래그림에서와같이반응물 (reactants) 의엔탈피가생성물 (products) 의엔탈피보다많으며따라서반응의진행에따라일정량의열에너지가주위로방출된다. [ 발열반응의반응물 (reactants) 과생성물 (products) 의엔탈피변화 (ΔH)] 이발열반응을식으로표시하면다음과같다. 반응물 -> 생성물 + ΔH 이는반응물이생성물보다 ΔH만큼엔탈피가크다는것을나타내주며, 이식은다음과같이변형시킬수있다. 반응물 - ΔH -> 생성물발열반응은자발적으로진행된다. 즉이반응의반응물을생성물로변환시키기위해서반응시스템에에너지를넣어줄필요가없다. 흡열반응실험 -> Click here for an Experiment where you create an Exothermic reaction. 발열반응계산의보기 : Click here to see an example of an Exothermic reaction calculation. - 6 -
반응의열에너지전달의학습지도서 -> Click here for a Tutorial on Heat Energy transfer in reactions. 흡열반응 (Endothermic Reactions) 화학반응이진행될때외부로부터에너지를흡수하는반응이흡열반응 (Endothermic) 이다. 흡열반응의경우아래그림에서와같이반응물보다생성물의엔탈피가더크며, 이는다음과같이표시할수있다. 반응물 -> 생성물 - ΔH 이식은다음식과같이바꾸어쓸수있다. 반응물 + ΔH -> 생성물 [ 흡열반응의반응물 (reactants) 과생성물 (products) 의엔탈피변화 (ΔH)] 흡열반응은자발적으로진행되지아니한다. 즉, 반응물을생성물로변환시키기위해서는반응시스템에에너지를제공해주어야한다. 흡열반응실험 -> Click here for an Experiment where you create an Endothermic reaction. 반응에너지학습지 -> Click here for a Worksheet on Reaction energies. 발열및흡열반응과열량계의예시 : Click here for some examples of Exothermic and Endothermic Reactions. - 7 -
열량계 (Calorimeter) 화학반응에서의열흐름은열량계 (Calorimeter) 로측정이가능하며, 또그반응이발열반응인지흡열반응인지를알아낼수있다. 열량계의종류는스티로폼컵에온도계를꽂은간단한것부터기체의엔탈피측정에사용되는아래그림의복잡한통열량계 (bomb Calorimeter) 에이르기까지다양하다. [ 통열량계 : Bom Calorimeter] 열량계는보온장치가있고, 용기주변에물을넣어온도변화의측정이용이하게되어있다. 온라인열량계 -> Click here for an Interactive Online Calorimeter. 열량계학습지도지 -> Click here for a Tutorial on Calorimeters. 열량계가상실험 -> Click here to perform interactive Virtual Calorimeter Experiments. 비디오수업자료 (Video Instruction) * 다음의유튜브비디오는없어졌거나내용이변경되었을수있다. 흡열및발열반응 : Solutions: Endothermic and Exothermic Reactions (8:30) 흡열과발열의차이 : Chemistry Music Video 21: Exo, Endo, What s the Difference? (2:36) 화학반응의엔탈피변화 : Enthalpy Changes for Chemical Reactions (8:20) - 8 -
8-3. 응고, 기화및용융 순수한물질 ( 원자또는분자 ) 이기체에서액체또액체에서고체로상태가변하는것을 상변화 (Phase Changes) 라한다. [ 고체 - 액체 - 기체의상변화 ] 이와같은상변화는왜일어나는것일까? 상변화가일어나기위해서는압력또는온도의변화가있어야한다. 이제온도변화에따른상변화를살펴보자. 이러한상변화가일어나려면물질에열에너지의흐름 (H) 이있어야하는데이열에너지는운동에너지와퍼텐셜 ( 위치 ) 에너지로구성된다. 물질의평균운동에너지는물질의온도에비례하나온도변화가퍼텐셜에너지변화에미치는영향은미미하다. 정압상변화 (Phase Change at Constant Pressure) 어느물질을고체에서액체로또액체에서기체로상변화를시키기위해서는그물질에열에너지를공급해주어야한다. 반대로기체에서액체, 액체에서고체로상변화를시키기이해서는열에너지를제거해야한다. 아래의그림에는 H 2 O에열에너지를공급해주는반응의가열곡선 (heating curve) 이나타나있다. - 9 -
[H 2 O에열에너지를공급해주는반응의가열곡선 (heat curve)] 이그림에서열에너지를추가하면 (X-축) 온도의상승 (Y-축) 이일어난다. 가열곡선이수평인부분은열에너지를계속추가해도온도변화가없거나아주작음을의미한다. 이런현상은 H 2 O에열에너지를계속공급해주면먼저온도가오르고 ( 시스템의운동에너지를증가시킴 ) 이어서 H 2 O의분자간결합이재배치되기 ( 시스템의퍼텐셜에너지를증가시킴 ) 때문에일어나다. 응고의엔탈피변화 (Enthalpy Change of Freezing) H 2 O가응고될때고체 H 2 O의엔탈피 (H 고체 ) 가액체 H 2 O의엔탈피 (H l액체 ) 보다작으므로이응고반응의엔탈피변화 (ΔH) 는다음과같다. H 고체 - H 액체 = ΔH 응고 = -6.02 kj/mol 이음 (-) 부호는 1몰의 H 2 O가응고될때에시스템이엔탈피를잃는다는것을의미한다. 따라서 H 2 O의응고는발열반응이다. 용융의엔탈피변화 (Enthalpy Change of Melting) 고체 H 2 O가녹는것은액체 H 2 O가어는것과정반대의반응이며, 이용융 ( 녹음 ) 반응의엔탈피변화는다음과같이응고 ( 어는 ) 반응과크기가같고부호만다르다. H 액체 - H l고체 = ΔH fus = 6.02 kj/mol - 10 -
[ 얼음의결정구조 ] 따라서 H 2 O 의용융은흡열반응이며, 응고때에방출된양과같은양의열에너지가반응 시스템에공급되어야한다. [ 액체물에서의수소결합 ] 기화의엔탈피변화 (Enthalpy Change of Vaporization) 액체 H 2 O가기체 ( 수증기 ) 로바뀔때상당량의열에너지를공급해주어야한다. 이반응의엔탈피변화는다음과같다. H 가체 - H 액체 = ΔH 기화 = 40.7 kj/mol 이기화엔탈피변화의크기는용융엔탈피변화보다약 7배나크다. 이는기체가되기위해서는액체 H 2 O에작용하는분자간수소결합을끊어야하는데이는고체가액체가되면서분자를재배치하는것보다훨씬많은에너지가요구되기때문이다. - 11 -
[ 물의기화를위한수소결합의파괴 ] 앞의 H 2 O의가열곡선을살펴보면왜수증기가끓는물보다더뜨거운지를알수있다. 이는물은 100 o C에끓으나열에너지가더공급되면퍼텐셜에너지는별로변하지않고운동에너지가주로증가되어수증기의온도가높아지기때문이다. 따라서수증기에의한화상이끓는물에의한화상보다더심하다. H 2 O의증발또는기화반응은흡열반응이다. 엔탈피변화의예제 -> Click here for some worked Problems on Enthalpy change. Ÿ H 2 O의상변화에따른엔탈피변화실험 -> Click here for an Experiment where you determine the Phase Change Enthalpies for H 2 O 칸아카데미비디오수업 (Khan Academy Video Instruction) Ÿ 비열, 용융및기화열 : Specific Heat, Heat of Fusion and Vaporization 비열과상 변화 : -10 o C 의얼음 200g 을 110 o C 의수증기로바꾸는데필요한열계산하기 (14:49) Ÿ 물질의상태 (States of Matter) 물질의상의소개 (19:24) Ÿ 물냉각하기 (Chilling Water Problem) 물냉각에필요한얼음의양계산하기 (11:23) 비디오수업자료 (Video Instruction) * 다음의유튜브비디오는없어졌거나내용이변경되었을수있다. 비열, 용융및기화열 : Specific Heat, Heat of Fusion and Vaporization (14:49) 상변화 : Phase Changes (8:35) 물질의상태 : States of Matter (19:24) - 12 -
8-4. 열흐름의문제 에너지보존의법칙 (Law of Conservation of Energy) 에의하면에너지는그유형을변화시킬수있으나결코창조하거나파괴할수없다. 따라서열흐름의문제는에너지가사라지지않는다는것을기억하고에너지흐름의방향을알면쉽게해결할수있다. 열에너지 (Heat Energy, 또는 Thermal Energy) 는운동에너지와퍼텐셜에너지로구성되어있다. 그러나이두에너지중운동에너지의증가만을온도의상승으로느낄수있다. 열에너지흐름에의한퍼텐셜에너지의변화는원자나분자의위치또는결합의변화로나타난다. 따라서퍼텐셜에너지는화학에너지 (Chemical Energy) 라고도불린다. 결합의높은에너지란강한결합을의미하며강한결합은깨뜨리기가어렵고일단깨뜨리면다량의에너지가방출된다. [ 연소에의한화학에너지의열과빛에너지로의변환 ] Ÿ 화학에너지학습지도서와문제 -> Click here for a Chemical Energy Tutorial with Problems. 계와주위 (System vs Surroundings) 열화학 (Thermochemistry) 은계 (System) 와주위 (Surroundings) 라는두가지특성을가진다. 보통시스템이라부르는계는반응에포함된결합들을가리키며, 주위란시스템을제외한모든것을가리킨다. 시스템은우주일수도있고열량계내부로한정할수도있다. 열화학은다음과같은반응에서시스템과주위사이의열의흐름을예측하는데사용된다. Ÿ 화학반응 상변화 용액의형성 - 13 -
[ 시스템에서주위로의열흐름 ] 열에너지가시스템에서주위로흐르면그화학반응, 상변화또는용액의형성반응은발열반응 (Exothermic) 이다. 열에너지가주위에서시스템으로흐르면그화학반응, 상변화또는용액의형성반응은흡열 (Endothermic) 반응이다. 열에너지함량 (Heat Energy Content) 한시스템이그주위로부터열에너지를얻으면그시스템의엔탈피 (Enthalpy) 는처음보다증가된다. 만일시스템이주위에열에너지를잃으면그시스템의엔탈피는처음보다감소된다. 엔탈피 (H) 의증가또는감소가엔탈피의변화 (ΔH), 아래의표에는흔한물리및화학적변화의 ΔH가나타나있다. 물리변화 ΔE 화학변화 ΔH vap 기화 (vaporization) ΔH comb 연소 (combustion) ΔH fus 용융 (fusion) ΔH f 생성 (formation) ΔH ion 이온화 (ionization) ΔH rx 반응 (reaction) ΔH atom 원자화 (atomization) ΔH sol 용해 (solution) 열에너지가주위에서시스템으로흐를때, 생성물형성의엔탈피의변화는흡열반응으로 (+ΔH) 의값을가진다. 반면에열에너지가시스템에서주위로흐를때, 생성물형성의엔탈 피의변화는발열반응으로 (-ΔH) 의값을가진다. - 14 -
Ÿ 야채기름의연소엔탈피를구하는실험 -> Click here for an Experiment where you calculate the Enthalpy of Combustion for Vegetable Oil. Ÿ 용해엔탈피의수업지도서와퀴즈 -. Click here for an Enthalpy of Solution Tutorial with Quiz. 열흐름문제 (Heat Flow Problems) 열흐름이관여된문제를풀때에는다음사항들에유의를해야한다. 단위변환 표준상태조건 비열용량과엔탈피의관계 잠 ( 숨은 ) 열과감지 ( 할수있는 ) 열의차이 [ 지구표면에서의열흐름 ] 단위전환 (Unit Conversion) 단위를전환할때에는차원해석 (Dimensional Analysis) 이이용이매우중요하다. 계산과정에서모든단위를표시하고, 더하고, 빼고, 곱하고, 나누는모든계산과정에서그단위를계속유지하는것은필수적이다. 한단위를다른단위로전환할때에단위전환표 (Unit Conversion tables) 를사용하면아주편리하다, - 15 -
표준상태조건 (Standard State Conditions) 표준상태조건 (Standard State conditions) 이란화학자와물리학자들이사용하는조건의규준이다. 열화학에서는다음의표준상태규준이이용된다. 온도 : 298K의 ( 다른온도가주어지지않는한 ) 순수한물질 원소의엔탈피 H = 0 1기압 (atm) 의대기압 순수한물질 1 mol ( 또는 1M 용액 ) 실험조건이표준상태일때시스템의측정값에 o 표시를붙인다. 예를들어, 표준상태의엔탈피변화는 ΔH o 로표시한다. 비열용량과엔탈피 (Specific Heat Capacity and Enthalpy) 한물질의비열용량 (Specific Heat Capacity) 은그물질의온도변화와비례 ( 시스템의압력이일정할때 ) 한다. 즉 ΔH = c x ΔT 이며, 여기에서 ΔH는물질의엔탈피변화, c는특정압력하에서의그물질의비열용량, 그리고 ΔT는켈빈온도척도의온도변화이다. 잠열과감지열 (Latent Heat and Sensible Heat) 잠열 (Latent Heat) 은 숨은 열에너지또는퍼텐셜에너지이다. 감지열 (Sensible Heat) 은 느낄수있는 열에너지또는운동에너지이다. 지금까지학습한열흐름문제를푸는도구를사용할때에다음사항을유의해야한다. 구하려는답과주어진정보를분명하게한다. 올바른단위를사용한다. 켈빈 ( 또는섭씨 ) 온도척도를사용한다. 연습을통해열흐름문제를푸는데자신감을갖도록하자. Ÿ 단순한열에너지흐름실험 -> Click here for a simple Heat Energy Flow Experiment. - 16 -
칸아카데미비디오수업 (Khan Academy Video Instruction) Ÿ 에너지보존 (Conservation of Energy) : 비열용량과상변화 : 에너지보존법칙을사용하여퍼텐셜에너지가운동에너지로변환되는것을보여준다.(10:06) 비디오수업자료 (Video Instruction) * 다음의유튜브비디오는없어졌거나내용이변경되었을수있다. 에너지보존 : Conservation of Energy (10:06) 열화학 ; Thermochemistry (9:01) 비열요량설명 : Specific heat capacity explained (9:24) - 17 -
8-5. 헤스의법칙 1840년에헤스 ( Germain Henri Hess) 는반응에너지를더하는그의이론에관한논문을발표하였다. 헤스의법칙은다음과같다. 화학반응에서방출되거나흡수되는일은그반응이한단계로일어나든여러단계로일어나든똑같다. 간단히말해, 이는반응단계의엔탈피를더하여전체반응의엔탈피변화를결정할수있다는의미이다. [ 헤스의법칙 ] 이를다른말로표현하면, 다단계반응에서각단계의엔탈피변화 (ΔH) 를모두더하면전체반응의엔탈피변화가얻어진다. 는것이다.. 헤스의법칙적용에는 3가지의규칙이있다. 1. 반응각단계의반응물과생성물이화살표좌우에배치되도록재배치한다. 2. 반응식이반대로되면원래반응의 ΔH 부호를바꾼다. 3. 반응물계수에수를곱해줄때에는 ΔH에도같은수를곱해준다, 이제이들각규칙을자세히살펴보자. 반응단계의재배열 (Rearrange Reaction Stages) 헤스의법칙은반응물이어떤경로를거쳐생성물이되더라도모두적용된다. 이제산소 (O 2 ) 와흑연 (C) 으로부터일산화탄소 (CO) 를만드는다음반응을생각해보자. - 18 -
C + ½O 2» CO 이반응은실험에의해수행될수없으나그반응엔탈피변화를계산에의해구할수있 다. 이를위해먼저 C 와 O 2 로이산화탄소 (CO 2 ) 를만들고 C + O 2» CO 2 DH = -395kJ/mol 이 CO 2 를 O 2 와반응시켜 CO 를만들수있다. CO + ½O 2» CO 2 DH = -283kJ/mol 이두단계의반응단계를더하기위하여두번째반응을뒤집어야한다. CO 2» CO + ½O 2 이제두반응을더하고 CO 2 +C + O 2» CO 2 + CO + ½O 2 같은항을제거하면다음의 CO 생성반응식이얻어진다. C + ½O 2» CO Ÿ 헤스법칙의문제 -> Click here for some Hess s Law Problems. 엔탈피부호바꾸기 (Reverse Enthalpy Signs) 앞에서 (CO + O2» CO2) 반응을뒤집었으므로 ΔH = -283kJ/mol 값의부호를바꾸어 ΔH = +283 kj/mol 이되도록해야한다. [ 용해의단계적반응과헤스법칙 ] - 19 -
그러나 (C + O 2» CO 2 ) 반응은뒤집지아니했으므로 ΔH = 395kJ/mol 값의부호를그대로유지한다. 이제이들두 ΔH 값을더하면전체반응의엔탈피변화 ΔH = -112kJ/mol이얻어진다. 헤스의법칙은다단계반응그중한단계의 ΔH를실험적으로구할수없을때에도전체반응의 ΔH를구하는데편리하게사용된다. Ÿ 헤스법칙의문제 -> Click here for Hess s Law Problems. Ÿ 헤스법칙의학습지도서와예제 : Click here for a Hess s Law Tutorial with worked Problems. 계수의유지 (Maintain Coefficients) 화학반응의완결에서반응물과생성물양의균형을맞추듯이각반응단계의 ΔH의균형도맞추어야한다. 앞의 CO 제조반응에서계수들이 1이기때문에 ΔH값에이를곱해줘도변화가없었다. C + ½O 2» CO DH = -112kJ/mol 전체반응의 ΔH 부호가 -이므로이반응은발열반응이며따라서자발적으로진행된다. Ÿ 헤스법칙의학습지도서와간단한퀴즈 -> Click here for a Hess s Law Tutorial with a short Quiz. Ÿ Ÿ 헤스법칙의퀴즈 -> Click here and try any (or all) Hess s Law quizzes. 엔탈피화학양론의퀴즈 -> Click here for a Stoichiometry of Enthalpies Quiz. 비디오수업자료 (Video Instruction) * 다음의유튜브비디오는없어졌거나내용이변경되었을수있다. 헤스의법칙 : Hess s Law (8:52) 헤스의법칙 : Hess s Law (5:49) 엔탈피의화학양론 : Stoichiometry of Enthalpies (3:39) - 20 -
8-6. 깁스에너지방정식 화학반응이반응식과같이진행됨을알았다면, 어느물질이반응물이고어느물질이생성물인지를알수있다. 어느화학반응식이제대로작성되었는지를확인하는한방법은그반응을실시하여반응물과생성물을확인한다음이들의양을측정하는것이다. 그러나이는현실성이떨어지는방법이다. 다른방법은연필과종이를사용하는것이다. 만일엔탈피변화의부호가마이너스 (-) 인것을알면, 그반응이발열반응이며따라서이반응이자발적으로진행된다는것을알수있다. 그러나 ΔH가반응이자발적으로진행될지의여부를결정한유일한요인이아니며, 반응이자발적으로진행되기위해서는자유도즉엔트로피의증가 (+ΔS) 를함쎄고려해야한다. 일정온도 (K) 에서 ΔH와 ΔS의결합은반응의자발성을결정해주는깁스에너지변화 (ΔG) 로통합되어진다. 이 ΔG는반응을밀어붙이는힘이라생각할수있다. 전통적으로깁스에너지는깁스자유에너지 (Gibbs Free Energy) 라고하였으나국제순수및응용화학연합회 (IUPAC) 에서 깁스에너지 사용을추천해여기에서도이를사용한다. 엔트로피 (Entropy) 만일우주를닫힌계 (system) 라고간주한다면우주의무질서도즉, 엔트로피 (S) 는항상증가하고있다. 만일이를못믿겠다면잘포장된어린이생일선물을생각해보자. 그선물은가계의진열대위의상자에서시작하여멋있는포장을한상태로구입한다. 그렇다면이선물은어떤상태로끝이날까? 아무리깔끔한어린이라도이포장된선물의질서를깨뜨릴것이며이것이자연스러운변화이다. 이와같은무질서도의증가는화학반응에서도일어난다. 반응은질서있는반응물에서시작하야자연스럽게더무질서한생성물형성으로끝난다. S 생성물s S 반응물 = ΔS 일반적으로분자가더복잡할수록그리고무거울수록그의표준엔트로피 S 0 가더크다. 예를들어, 에탄은 (C 2 H 4 ) 메탄 (CH 4 ) 보다표준엔트로피가더크다. 깁스에너지 (Gibbs Energy) 1870년대후반에깁스 (Josiah Willard Gibbs) 는다음식과같은깁스자유에너지변화 (Gibbs Free Energy change) 이론을제안했다. ΔG = ΔH TΔS - 21 -
[ 기체와벽돌의엔트로피 : 엔트로피가큰것이가능성이크다 ] Ÿ 엔트로피학습지도서와계산문제 ->Click here for an Entropy Tutorial with calculation Problems. 표준온도 (K) 에서 ΔH와 ΔS를결합하면전체반응의깁스에너지변화 (ΔG) 가얻어진다. Ÿ 깁스에너지식의유도 -> Click here if you would like to see a derivation of the Gibbs Energy equation. 반응물과생성물의 H나 S가별의미가없는것과마찬가지로깁스에너지 (G) 도별의미가없다. 이들열역학적항 (terms) 에서의미를갖는것은반응물과생성물사이의이들항의값의차이다. 여러화합물형성반응의표준엔탈피변화 (ΔH o ) 와표준엔트로피변화 (S o ) 의표를이용하면표준깁스에너지 (ΔG o ) 값을계산할수있다. 표준상태에서의열역학적항에대한값들이출판되어있기때문에구성원소로부터반응물과생성물이형성되는반응의 ΔG o 값을해당 Δ H o 와 ΔS o 값으로부터계산할수있다. 이계산에서화학자와물리학자들이사용하는다음의표준상태기준 (Standard State conditions) 을기억하고있어야한다. 온도 : 298K( 다른온도가주어져있지않을경우 ) 순수한물질 Ÿ 원소의엔탈피 H=0-22 -
Ÿ 1 기압 (atm) 의대기압 1 mol 의순수한물질 (1M 의용액 ) [ 온도변화에따른 ΔG, ΔH 및 TΔS 의변화 ] 반응에서가장의미가있는열역학항은생성물형성과반응물형성의표준자유에너지 차이로이는다음식으로부터직접구할수있다. ΔG o 반응 = G o 생성물 - G o 반응물그러나이 ΔG o 반응은주어진온도에서의 ΔH o 반응과 ΔS o 반응으로부터계산할수있으며, 그값의크기가같는의미는다음과같다. ΔG o 반응의값이양 (+) 이면그반응이자발적으로일어나지않는다. ΔG o 반응의값이음 (-) 이면그반응이자발적으로일어난다. ΔG o 반응의값이 0이면그반응은평형상태로반응물과생성물의변화량이똑같다. 깁스자유에너지변화와반응의유형 ΔG o 반응 < 0 반응식의반응이자발적으로진행됨 ΔG o 반응 > 0 반응식의반응이진행되지않음 ΔG o 반응 = 0 반응이평형상태임 - 23 -
우주는항상에너지가감소되는방향으로변한다. 따라서자발적인반응의 ΔG 값은마이너스 (-) 이며이는생성물의 G가반응물의 G보다작다는것을의미한다. 우주는 G이값이작은생성물을선호하기때문에깁스자유에너지를잃으면 (-ΔG) 그반응이자발적으로진행되는것이다. Ÿ 반응에너지학습지도서 -> Click here for another Tutorial on Reaction Energies. Ÿ 표준자유에너지와엔탈피계산기 -> Click here for a Calculator that gives you Δ Horx and ΔGorx for select chemicals. ΔG o 반응와반응평형상수 (ΔG o xn and Reaction Equilibrium Constant) aa + bb cc + dd반응의반응평형상수 (Reaction Equilibrium Constant : K c ) 는다음식으로표시된다. K c = ([A] a x [B] b ) / ([C] c x [D] d ) 이식에서그반응의표준깁스에너지변화 (ΔG o 반응 ) 는 K c 와다음의관계를가진다. ΔG o 반응 = RT ln K c 여기에서 R은일반기체상수 (8.31447J/g.mole.K) 이고, T는켈빈온도척도의반응온도이다. 이마지막식은주어진온도에서의반응생성물과반응물의양을계산하거나, 주어진반응물과생성물의양으로부터그반응이진행되는온도를계산할수있다. 이계산을하기위해서는이식을적절히변환시켜사용하면된다. Ÿ 표준깁스에너지와평형상수의관계에대한학습지도서 -> Click here for a Tutorial on the relationship between ΔG o rx and K c. Ÿ 표준깁스에너지와평형상수의관계의예제를포함한학습지도서 Click here for a Tutorial with calculated Problems involving ΔG o rx and K c. 칸아카데미비디오수업 (Khan Academy Video Instruction) Ÿ 깁스자유에너지와반응의자발성 (Gibbs Free Energy and Spontaneity:): 깁스자유에너지의소개 : 엔탈피와엔트로피와온도에따른반응의자발성설명 (17:40) Ÿ 깁스자유에너지의예제 (Gibbs Free Energy Example) : 깁스자유에너지의계산으로반응의자발성결정하기 (9:57) - 24 -
비디오수업자료 (Video Instruction) * 다음의유튜브비디오는없어졌거나내용이변경되었을수있다. 깁스자유에너지예제 : Gibbs Free Energy Example (9:57) 16 깁스자유에너지 : 16 Gibbs Free Energy (3:14) 열화학반응식 : Thermochemical Equations (9:52) - 25 -