[화학] 물질의 반응과 평형

물질의 반응과 평형

 물리는 물체의 운동을 설명하는 학문으로 물체의 정지, 평형, 가속도 등 빠르기나 방향이 변하는지 아닌지를 중요하게 여긴다. 반면 화학은 물질에 관한 학문인만큼 물질이 그 상태를 유지하고 있는지 화학반응을 통해 변화하고 있는지를 중요하게 봐야 한다. 물질 반응의 요소들과 평형 상태 간의 관계성을 알아보자.

• 화학반응의 요소

 우리 주위에는 수많은 화학반응이 일어난다. 그 반응에는 반응이 일어나기 위한 조건, 반응 속도, 반응의 자발성 등 여러 가지 요소가 있다.

1. 활성화 에너지
 먼저 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응물끼리 서로 충돌하여 반응물의 입자 사이의 결합을 끊어야 한다. 이 결합을 끊기 위한 최소의 에너지를 활성화 에너지라고 한다. 물질이 가진 에너지가 활성화 에너지만큼 도달했을 때 그 상태를 활성화 상태라 하고 그 물질을 활성화물이라고 한다.

2. 반응 속도
 그 후 화학 반응이 시작되면 비슷한 종류의 반응이더라도 연소와 갈변과 같이 반응의 빠르기가 다른 경우가 있다. 반응의 빠르기는 (－반응물의 변화량 ÷ 시간 ) 혹은 (생성물의 변화량 ÷ 시간)으로 구할 수 있는데 (단위는 g/s) 주의할 점이 있다. 정반응에서는 반응물이 항상 감소하여 반응물의 변화량은 음수가 나오지만 반응의 빠르기는 양수가 나와야 하므로 －부호를 붙여줘야 한다는 것이다. 그러나 대부분의 화학반응은 혼합물 상태에서 진행되므로 몰 농도를 통해서 속도를 나타내 주어야 한다. 그래서 반응 속도를 (반응물의 농도 감소량 ÷ 시간) 혹은 (생성물의 농도 감소량 ÷ 시간)으로 나타낸다. 예를 들어 A(g) ⇒ B(g)이고 A의 농도를 [A]라고 하면 -$\frac{\Delta A }{A}$은 평균 반응 속도가 되고 -$\frac{d[A]} {dt}$은 순간 반응 속도가 된다. 또한 t=0일 때의 순간 반응 속도를 초기 반응 속도라고 한다.

3. 자발성
 그런데 자연계에서 저절로 일어나는 화학반응이 있고 인위적으로 에너지를 공급해야 일어나는 화학반응이 있다. 이것은 엔탈피와 엔트로피 그리고 깁스 자유에너지의 변화량을 통해 가역적 화학반응에서 그 반응이 자발적으로 일어나고 있는지 비자발적으로 일어나고 있는 지를 파악할 수 있다.

- 엔탈피와 엔트로피
 화학반응을 자발적으로 일어나게 만드는 요인은 엔탈피와 엔트로피가 있다. 먼저 엔탈피는 물질이 특정 압력과 온도에서 가지는 고유에너지를 뜻하며 반응의 시작과 끝의 상태가 같으면 화학반응 중의 경로와 상관없이 반응 엔탈피의 총합은 같다. 에너지를 적게 가질수록 물질은 안정해지기 때문에 엔탈피를 낮추는 방향으로 화학반응이 진행된다. 그리고 이것은 일반적인 열역학 과정에도 적용할 수 있다. 그러나 얼음이 물로 변하는 과정 등 물체가 가진 에너지 양이 증가하는 방향의 반응이 존재한다. 이것은 엔트로피로 설명 가능하다. 엔트로피는 흔히 무질서도로 표현되며 엔트로피가 커질수록 물질이 가진 열에너지가 일로 전환될 수 있는 양이 적어진다. 뜨거운 물과 차가운 물이 서로 섞이면 무질서도가 증가하고 원래는 뜨거운 물과 차가운 물이 이동하면서 일을 할 수 있었지만 서로 온도가 같아지면 일로 전환될 수 있는 에너지 양은 줄어드는 것이다.

- 깁스자유에너지 변화량
 깁스자유에너지의 변화량은 엔탈피와 엔트로피, 이 두 가지 요소를 정리한 것이다. 깁스 자유에너지 변화량의 식은 △G = △H - T△S이다. (G 깁스자유에너지, H 엔탈피, S 엔트로피) 어떤 화학반응이 일어날 때 △G < 0 이면 그 반응은 자발적으로 일어나는 것이고 △G = 0 이면 동적 평형 상태에 있는 것이다. 한편 △G > 0이면 해당 반응을 일으키려면 에너지가 필요하고(비자발적인 화학반응) 그 반응의 역반응이 자발적으로 일어난다. 

• 화학반응의 평형과 진행방향

1. 평형 상수(K)
 동적평형상태는 반응물과 생성물의 농도가 일정한 상태인데 이것은 평형 상수와 관련 있다. 평형 상수 K는 aA + bB ⇒ cC + dD일 때, K = $\frac{[C]^c[D]^d }{[A]^a[B]^b}$로 구한다. 이때, K < 1이면 정반응이 우세하고 K>1 이면 역반응이 우세하며 K=1일 때 동적 평형을 이룬다. 만약 평형상태가 아닌 경우에 해당 식에 반응물과 생성물의 농도를 넣으면 반응 지수 Q를 구할 수 있다. 반응 지수를 이용하면 평형상태가 아닐 때 정반응이 우세한 지 역반응이 우세한 지를 판단할 수 있다. 반응 지수 Q가 평형 상수 K 보다 작다면 생성물의 농도를 높이기 위해 정반응이 우세하게 일어나고 Q가 K보다 크다면 생성물의 온도를 낮추기 위해 역반응이 우세하게 일어난다. Q와 K가 같은 경우는 동적 평형 상태라고 할 수 있다. 여기서 주의할 점은 반응물과 생성물의 농도는 몰농도를 따르기 때문에 온도와 압력이 변하면 부피가 변하고 그러면 몰농도도 변하고 Q와 K값이 바뀔 수도 있다. 

2. 르 샤틀리에 원리
 만약 농도의 변화 등으로 평형이 깨지게 되면 자연계의 물질들은 그 변화를 무마하기 위한 방향으로 변한다. 이것이 르샤틀리에 원리이다. N₂ + 3H₂ ⇒ 2NH₃는 반응 후 몰수가 감소하고 열을 방출한다. 만약 외부의 압력이 낮아지면 내부의 압력이 상대적으로 높아지는데 다시 평형을 맞추기 위해 정반응을 통해 몰수를 감소시켜 압력을 낮게 한다. 반면 외부의 온도가 높아진다면 상대적으로 내부의 온도가 낮으므로 평형을 맞추기 위해 역반응을 통해 흡열 반응을 하여 온도를 높인다. 그래서 정반응이 잘 일어날 수 있도록 낮은 온도, 높은 기압의 약 200도씨, 500 기압에서 합성을 진행한다. (200도씨는 온도가 높다고 느낄 수 있지만 합성을 위한 에너지를 공급하는 것이다.) 이 원리는 위와 같이 암모니아 합성을 설명할 수 있다. 또한 물리학의 전자기 유도나 생명과학의 항상성 유지의 원리도 설명할 수 있다.

 

출처: 위키백과