제 10 장화학평형 10-0. 학습개요 화학반응은보통끝까지진행되지아니하고반응물이모두소멸되기이전에반응이중지된다. 반응물과생성물의양에변화가멈추었을때그반응은평형상태에도달했다고한다. 평형상태에서는정반응과역반응의속도가똑같으며, 따라서아무런변화를관찰할수없다. 평형상태에서의반응물과생성물의농도로부터평형상수를계산할수있다. 이장에서는화학평형에대하여자세히설명한다. 학습목표제10장의학습을마치면다음을알수있을것이다. 르샤틀리에원리 화학평형 평형상수의계산 - 1 -
10-1. 르샤틀리에원리 1884년에르샤틀리에 ( Henri-Lewis Le Chatelier) 는그의유명한평형 (Equilibrium) 의원리를발견을이끌어줄관찰을하였다. 이원리는다음과같다. 평형상태의계 (system) 에스트레스 (stress) 를주면그스트레스를감소시키는방향으로평형점이이동된다. [ 르샤틀리에원리 ] 화학평형 (Chemical Equilibrium) 화학반응에서는반응물에서생성물이생성되는방향으로반응이시작된다. 그러나때로는그반응이중지되어반응물이완전히반응이진행괴지못하는데이경우반응계에는남아있는일부반응물과함께생성된생성물이함께존재한다. 그러나이상태가실제로는반응이정지된것이아니고, 반응물이생성물로변화되는속도가생성물이다시반응물로되돌아가는속도가같아져반응이진행되지아니하는것처럼보이는것이다. 반응은정지되지아니했지만반응물과생성물의양의변화는정지되었다. 이러한상태를화학평형 (Chemical Equilibrium) 상태라하는데이는모든것이정지된정적인상태가아니고반응은계속되나반응물과생성물양의변화가없는동적상황 (dynamic situation) 이다. 평형상태에있는반응물과생성물의양의변화는그시스템에스트레스즉, 압박이가해질경우에일어난다. - 2 -
평형스트레스 (Equilibrium Stresses) 평형스트레스란평형상태에있는계에압박을주어평형을이동시키고반응물과생성물의양을변화시키는요인이다. 이평형스트레스에는다음과같은것들이있다. 농도 (Concentration) 만일생성물의농도가증가되면화학평형이왼쪽으로이동되어반응물이더생성된다. 부피 (Volume) 만일기체상태반응물의부피가증가되면더많은몰수의기체반응물또는생성물이생성되는방향으로반응이더진행된다. 만일반응물의부피가감소되면기체반응물또는생성물의몰수가줄어드는방향으로평형이이동된다. 온도 (Temperature) 온도의평형에대한효과는그반응의엔탈피변화에따라다르다. 발열반응의경우에는온도의상승은반응물이더형성되는역반응쪽으로평형을이동시키고, 흡열반응의경우에는생성물이더생성되는정반응쪽으로평형이이동된다. 압력 (Pressure) 기체반응에서압력이증가되면기체의몰수가감소하는방향으로평형이이동된다. 만일압력이감소되면더많은분자들이생성되는방향으로평형이이동된다. 촉매 (Catalyst) 촉매의첨가는반응속도를변화시키나평형에는영향을끼치지않는다. 종합하면평형상태의계에스트레스를주면그스트레스를수용하고이를감소시켜새로운평형상태에이를때까지반응이더진행된다. [ 발열반응과흡열반응에대한평형스트레스의영향 ] - 3 -
르샤틀리에원리와농도변화의가상실험 -> Click here for a Virtual, Interactive Experiment using Le Chatelier s Principle and Concentration change. 르샤틀리에원리와부피변화의가상실험 -> Click here for a Virtual, Interactive Experiment using Le Chatelier s Principle and Volume change. 르샤틀리에효과의퀴즈 -> Click here for a Le Chatelier s Effect Quiz. 비디오수업자료 (Video Instruction) * 아래유튜브비디오수업자료는없어지거나내용이바뀌었을수있다. 르샤틀리에원리 : Le Chatelier s Principle (14:43) 화학 : 평형의개념 : Chemistry: The Concept of Equilibrium (3:13) 르샤틀리에원리 : Le Chatelier s Principle (5:19) - 4 -
10-2. 평형 앞절의수업 (Instruction) 에서화학평형이란가역반응 (reversible reaction) 이진행되는동적상태임을학습하였다. 이가역반응에서는반응물이생성물로또한생성물이반응물로동시에변환된다. 화학평형상태에서는반응물과생성물의양은반응의완결된반응식과평형상수로부터계산에의해구할수있다. [ 반응의초기상태와평형상태 ] 평형상수 (Equilibrium Equation) 일반적인반응물 (A 및 B) 와생성물 (C 및 D) 의반응에대한평형반응식은다음과같다. aa + bb cc + dd 이식의소문자는각물질들의분자 ( 몰 ) 수를나타내는계수이고, 중간의이중화살표는 - 5 -
이반응이가역반응으로진행되는동적상태임을나타내준다. 이평형반응식이그반응의평형상수결정에이용된다. 평형상수 (K eq ) 는반응물의양에대한생성물의양의비 (ratio) 이다. 반응물과생성물농도의평형상수는다음과같이주어진다. K eq = [C] c [D] d /[A] a [B] b 여기에서 K eq 는특정온도에서의값으로주어진다. 만일 K eq 의값이크다면평형상태에서생성물이반응물보다양이많고, K eq 값이작다면평형상태에서반응물의양이더많다. K eq 는변하지않으며이는특정온도에서의상수이다. 이 K eq 가변하지않기때문에평형스트레스가가해졌을때평형이동을결정하는데이용될수있다. 평형상수식의작성규칙 -> Click here to see Rules for writing Equilibrium Constant Expressions. 평형상수학습지도서 ->Click here for an Equilibrium Constant Tutorial. 평형상수학습지도서 -> Click here for an Equilibrium Tutorial with Confidence Building Questions. 평형상수의유형 ((Types of K eq s) 평형시스템의종류에따라다음과같이다양한평형상수 (K eq ) 의유형이있다 해리상수 (Dissociation Constant : K d ) 큰입자가작은입자로나누어지는반응의평형상수 산해리상수 (Acid Dissociation Constant : K a ) 산상수라도하며약산이그짝염기로해리하는반응의상수. 약산 HA와그짝산 A -, 의 K a = [A - ][H + ]/HA. 염기해리상수 (Base Dissociation Constant : K b ) 염기상수라고도하며약염기가그짝산으로해리하는반응의상수. 약염기 B와그짝산 H 2 O의 K b = [HB + ][OH - ]/[B]. 용해상수 (Solubility Constant : K sp ) 물속에녹아있는고체이온결합화합물의이온농도를곱한상수. 이온결합화합물 AC(s) 의 A - (aq) 와 C + (aq) 의농도에대하여 Ksp=[A - ][C + ]. 농도평형상수 (Concentration Equilibrium Constant : K c ) 생성물의농도의곱에대한반응물의농도의곱의비로나타내는일반적인평형상수 분압평형상수 (Partial Pressure Equilibrium Constant : K p ) 기체반응물과생성물의농도가분압으로표시된평형상수 - 6 -
평형상수계산가상실험 -> Click here for a Virtual, Interactive Experiment where you determine Equilibrium Constants. ph 적정에의한산해리상수결정실험 ->Click here for an Experiment where you determine K a using a ph Titration. 엔탈피와평형상수 (Enthalpy and Equilibrium) 반응에서의엔탈피변화 (ΔH) 를평형반응식에포함시킬수있다. 만일흡열반응이면반응물에열에너지를넣어주어야하며따라서반응물에 +ΔH가추가된다. 만일발열반응이면열에너지가반응물로부터빠져나가는것이므로반응물에 -ΔH 또는생성물에 +ΔH가나타난다. 예를들어, 다음의완결된흡열반응의반응식에서 : PCl 5 (g) + ΔH PCl 3 (g) + Cl 2 (g) 양 (+) 의엔탈피변화항이반응물에나타나며이 +ΔH는하나의반응물과같다. 이는이반응의온도를높이면평형이오른쪽즉, 더많은생성물을형성하는방향으로이동함을의미한다. 평형과엔탈피퀴즈 -> Click here for an Equilibrium and Enthalpy Quiz (with answers). 엔탈피변화에의한평형의가상실험 -> Click here for a Virtual, Interactive Experiment on Equilibrium change with Enthalpy Change. 평형과엔탈피의실험 -> Click here for an Experiment that considers Equilibrium and Enthalpy. 비디오수업자료 (Video Instruction) * 아래유튜브비디오수업자료는없어지거나내용이바뀌었을수있다. 평형의표현 1/2부 : The Equilibrium Expression Part 1 of 2 (10:29) 평형의표현 2.2부 : The Equilibrium Expression Part 2 of 2 (9:03) Kp vs Kc (8:14) - 7 -
10-3. 평형상수계산 평형상수는평형상태에도달한반응의반응물과생성물의농도계산에사용할수있다. 동시에알려진반응물과생성물의농도로부터평형상수를계산할수있다. [ 동적평형 ] 평형상수의단위 (Equilibrium Constant Units) 평형상수는비 (ratio) 이므로이에단위는없으며 (does not really have units). 단지한값의다른값에대한상대적크기이다. 출판된평형상수는보통단위가없이주어지나때i로는실험적으로결정된단위를붙여주기도한다. [ 평형상수 ] - 8 -
평형상수단위 (Equilibrium Constant Units) 계산의편의를위해평형상수에계산에서얻어진값들을붙여준다. 예를들어, 다음의완 결된반응식에대하여 : N 2 (g) + 3H 2 (g) 2NH 3 (g) (K c ) 는다음식으로표시된다. K c = [NH 3 ] 2 / [N 2 ][H 2 ] 3 이식에서농도의수치를무시하고단위만계산하면다음과같다 K c = [moles/liter] 2 / [moles/liter][moles/liter] 3 K c = 1 / [moles/liter] 2 = 1 / [M] 2 = M -2 K c 의단위는 M -2 이다. 비록 M -2 은측정이불가능하지만식의계산에서얻어지는단위이므로이 K c. 에부여된단위이다. 평형상수에부여된단위는대상평형상수식에따라결정된다. 그러나이 K c 는단위없이사용되기도한다. K p 와 K c K c 와 K p 는다음식을통해상호전환이가능하다. K p = K c (RT) Δn 이식에서 K p 는분압평형상수이며, K c 는농도평형상수이고 R은일반기체상수 (Universal Gas constant) 그리고 Δn은생성물과반응물반응계수의변화이다. 예를들어, 다음평형반응에서 [K p 와 K c 의관계 ] 2SO 3 (g) 2SO 2 (g) + O 2 (g) - 9 -
이반응의 300 o C에서의 K c 는다음과같다. K c = [SO 2 ] 2 [O 2 ] / [SO 3 ] 2 = 1.6 x 10-10 만일이세기체혼합물에 0.10m의 SO 3, 0.10mol의 SO 2, 그리고 0.01mol의 O 2 가포함되어있다면 K c = [0.1mol] 2 [0.01mol] / [0.1mol] 2 K c = 0.010mol 이고, K p 는다음과같다. K p = 0.010 mol {(8.2057x10-2 atm / mol K) (573K)} K p = 0.47Latm 2 비록 Latm 2 단위는존재하지않고, 이는이특정 K p 만을위한것임에유의해야한다. 라서이 K p 값을단위가없이 K p = 0.47 라고보고해도전혀문제가되지않는다. 따 K p = 0.47 은 573K 에서는반응물 (SO 3 ) 의생성 ( 역반응 ) 이생성물 (SO 2 와 O 2 ) 의생성 ( 정반 응 ) 에비해더유리함을말해준다. K p 와 K c 의퀴즈 -> Click here for a K p and K c (they call it K) Quiz. 평형상수학습지와정답 -> Click here for an Equilibrium Constant worksheet with answers. 화학평형평가 -> Click here for a Chemical Equilibrium test with answers. 불균일평형 (Heterogeneous Equilibriums) 불균일평형이란 2개이상의물리적상 (phase) 을포함하는평형이다. 불균일평형에서는수수한액체나고체의농도는고려할수없기때문에평형상수식에서제외된다. 예를들어다음평형반응식의 KNO 3 (s) K+ (aq) + NO 3 - (aq) 평형상수 (K c ) 식은다음과같다. K c = [K + ][NO 3 -] = K sp 위의평형상수 K c 는 KNO 3. 의 K sp 와같다. 이두평형상수모두에서고체상태인 KNO 3(s) 가포함되지아니했다. 평형상수학습지 -> Click here for an Equilibrium Constant Worksheet (with answers) - 10 -
[ 불균일평형 ] 비디오수업자료 (Video Instruction) * 아래유튜브비디오수업자료는없어지거나내용이바뀌었을수있다. 평형상수 : CPR Episode 7 The Equilibrium Constant (9:23) 평형의방해 : Disturbing an Equilibrium (7:28) 평형상수직감 : Keq Intuition (12:51) - 11 -