화학 평형: 두 판 사이의 차이
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균일 평형은 반응 물질과 생성 물질이 모두 같은 상으로 되어 평형에 참여하고 있는 경우, 즉 모든 반응종이 같은 상으로 되어 있는 반응에 적용된다. 기체 혼합물 또는 액체 용액에서 용질 사이의 반응이 평형이 이루어질 경우는 균일 평형의 한 유형에 속한다.
이러한 균일 평형의 예시로는, 기체 균일 평형의 중 이산화황이 산소와 결합하여 삼산화황으로 전환되는 반응과 액체 균일 평형 중 아세트산과 에탄올이 만나 에스터가 생성되는 에스터화 반응이 있다.
* <ce>2SO2(g) + O2(g) <=> 2SO3(g) </ce>
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=== 압력 평형 상수 ===
기체 반응에서 반응물과 생성물의 농도는 부분 압력으로도 나타낼 수도 있다. 일정한 온도에서 기체의 압력 P는
: <math>P = \left( \frac{n}{V} \right)RT</math>
식을 보면, mol/L로 나타낸 기체의 농도와 직접적인 관계가 있음을 알 수 있다. 따라서, 다음과 같은 평형 과정에서
: <ce>aA(g) <=> bB(g)</ce>
의 K<sub>c</sub>와 K<sub>P</sub>를 다음과 같이 쓸 수 있다.
: <math>K_c = \frac{[B]^b}{[A]^a}</math>,<math>\;</math> <math>K_P = \frac{P_B^b}{P_A^a}</math>
여기서 P<sub>A</sub>와 P<sub>B</sub>는 A와 B의 부분 압력이다. 이상 기체의 거동을 가정하면
: <math>P_A V= n_A RT</math>,<math>\;</math> <math>P_B V= n_B RT</math>
90번째 줄:
== 불균일평형 ==
불균일 평형이란 둘 이상의 상에 있는 반응물들과 생성물들이 관련된 가역 반응의 결과이다. 상은 고체, 액체 또는 기체상 그리고 용액의 임의의 조합일 수 있다. 이러한 불균일 평형을 다룰 때, 고체와 순수한 액체는 평형 상수 표현으로 나타내지 않는다.
이러한 불균일 평형의 예시로는, 고체인 탄산칼슘을 가열할 때 고체인 산화칼슘과 기체인 이산화탄소가 생성되는 반응이 있다.
:<ce>CaCO3(s) <=> CaO(s) + CO2(g)</ce>
102번째 줄:
:∴ <math>\frac{[CaO]}{[CaCO_3]}K'_c \; = \; K_c \; = \; [CO_2]</math>
그러므로 최종 평형 상수를 위와 같이 간단하게 나타낼 수 있다. 이렇게 불균일 평형에서 고체의 농도는 평형 상수에 포함되지 않는다. 여기서 농도를 활동도로 바꾸면 더 간단하게 평형 상수를 구할 수 있다. 열역학에서 순수한 고체와 순수한 액체의 활동도는 1이므로 반응물이나 생성물이 고체, 액체라면 평형 상수 식에서 이들을 빼고
: <math>K_c \; = \; [CO_2]</math>
와 같이 간단하게 쓸 수 있다.<ref>Raymond Chang. et al., ''general chemistry'', 11th edition, McGraw-Hill, 2012, p. 600.</ref>
140번째 줄:
== 화학 평형과 화학 반응 속도의 관계 ==
평형 상수는 반응물과 생성물의 평형 농도의 변화와는 관계 없이 주어진 온도에서 항상 일정한 값을 갖는데 그 이유를 화학 반응 속도로부터 알 수 있다.
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<math>R_1=k_1[A]^a[B]^b</math>
<math>R_2=k_2[C]^c[D]^d</math>
158번째 줄:
<math>k_1[A]^a[B]^b=k_2[C]^c[D]^d</math>
192번째 줄:
=== 르샤틀리에 원리 ===
농도, 압력, 부피, 온도의 변화가 일어날 때 평형 반응이 이동하는 방향을 예측하도록 해주는 일반 규칙으로, 평형에 있는 계에 외부에서 변형을 주면 계는 새로운 평형 위치에 도달하려 하기 때문에 그러한 자극을 부분적으로 상쇄하려는 방향으로 조절하게 된다는 것이다. 르샤틀리에 원리는 농도, 압력 부피, 온도와 같은 요인들이 화학 평형에 어떤 영향을 주는지 설명해준다.
화학 평형 상태에 있는 반응계의 이들 변수가 달라지면 반응계는 평형 상태에서 벗어나기 때문에 어느 정도 시간이 지나면 평형 상태에 이른다. 르샤틀리에 원리에 의하면 새로운 평형 상태는 외부의 자극을 상쇄하려는 방향으로 조절된다. 즉, 평형에 있는 어떤 계에 변화가 일어나면 그 변화를 감소시키는 방향으로 평형의 위치가 이동하는 원리이다.
233번째 줄:
액체와 고체는 사실상 압축되지 않으므로 응축상에서 압력의 변화는 보통 반응종의 농도에 영향을 주지 않는다. 반면 기체의 농도는 압력의 변화에 의하여 크게 영향을 받는다.
<chem>PV=nRT</chem>
<math>P = \left( \frac{n}{V} \right)RT</math>
244번째 줄:
<br />
===
* 화학 평형에 영향을 온도의 변화만이 평형 상수를 바꿀 수 있다.
* 평형계의 온도를 높이면, 온도가 낮아지는 방향 (흡열 반응) 쪽으로 평형이 이동된다.
평형계의 온도를 낮추면, 온도가 높아지는 방향 (발열 반응) 쪽으로 평형이 이동된다.
257번째 줄:
→ 정반응은 열을 흡수하는 흡열 반응이고, 역반응은 열을 방출하는 발열 반응이다. 어떤 온도에서 평형일 때 알짜 반응은 일어나지 않으므로 열의 효과는 0이다. 만일 열을 화학 반응물로 간주하면, 계에 열을 “첨가”하면 온도가 올라가고, 열을 “제거”하면 온도는 떨어진다. 농도, 압력, 부피의 변화에서와 같이 계는 변화의 영향을 줄이기 위해 이동한다.
그 예시로,
<ce>N2O4(g) <=> 2NO2(g)</ce>
265번째 줄:
- 역반응 (발열 반응, ∆H° < 0) : '''<chem>2NO2(g)-> N2O4(g)</chem> + 열''' ∆H° = -58.0kJ/mol
이 반응의 경우 온도의 증가는 흡열 반응으로 진행하게 하여 [<chem display="inline">N2O4</chem>]를 감소시키고, [<chem>NO2</chem>]를 증가시킨다. 온도의 감소는 발열 방향으로 진행하게 하여 [<chem>NO2</chem>]를 감소시키고, [<chem display="inline">N2O4</chem>]를 증가시킨다. 따라서 평형 상수는 계가 가열되면 증가하고, 계가 냉각되면 감소한다.
<math>K_c=\frac{[NO_2]^2}{[N_2O_4]}</math>
275번째 줄:
=== 촉매의 영향 ===
촉매를 사용하면 느리게 일어나는 화학 반응을 빨리 일어나도록 유도할 수 있다. 촉매는 정반응의 활성화 에너지를 낮추며, 역반응의 활성화 에너지 또한 낮춘다. 따라서 촉매는 평형 상수를 변화하게 하지 않으며, 평형계의 위치 또한 이동시키지 않는다는 것을 알 수 있다. 평형에 있지 않은 반응 혼합물에 촉매를 첨가하면 반응 혼합물을 평형에 더욱 빨리 도달하게 한다. 일반적으로 촉매는 반응 속도만 변화시켰기 때문에 화학 평형 자체에는 영향을 주지 않는다.
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* 농도, 부피, 압력, 온도 네 가지 중 온도의 변화만이 평형 상수의 값을 변화시킨다.
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