화학 평형
면접 준비하면서 공부한 것들을 조금씩 써보려 합니다. 줌달 10판으로 공부하고 있긴한데 순서는 무작위.. 내맘대로. 오늘은 화학평형입니다.
* 화학 평형
화학 평형이란 모든 반응물과 생성물의 농도가 시간에 따라 일정하게 유지되는 것을 말합니다.
예를 들어 설명해보겠습니다.
$$ H_2O_{(g)} + CO_{(g)} \rightleftharpoons H_{2(g)} + CO_{2(g)} $$
이러한 반응이 있을 때, 정반응과 역반응의 속도가 같을 때를 평형이라고 합니다.
반응물을 넣은 후부터 시간에 따른 농도의 그래프를 그려보면 다음과 같습니다.
반응물은 줄어들다 일정해지고, 생성물은 증가하다 일정해지는 부분이 평형에 이룬 곳이고,
정반응 속도가 줄어들다가 일정해지고, 역반응 속도가 증가하다 일정해지는 것을 볼 수 있죠.
그리고 초기 반응물이나 생성물의 농도가 달라도 같은 평형에 도달합니다.
* 평형식
그리고 평형의 위치를 알 수 있는 평형상수를 구할 수 있습니다.
$$ aA + bB \rightarrow cC + dD $$
이 화학반응식에서 평형식은 $$ K = \frac{[C]^c[D]^d}{[A]^a[B]^b} $$ 입니다.
K는 평형상수라고 합니다.
압력으로도 평형식을 나타낼 수 있는데 $PV=nRT$로 유도를 해보면 $ P = \frac{n}{V}RT = CRT $가 되는데 RT는 일정하므로 $$ K = \frac{(P_C)^c(P_D)^d}{(P_A)^a(P_B)^b} $$ 입니다.
* 불균일 평형
화학반응식에서 기체만 있으면 좋겠지만 거의 그렇지 않습니다. 균일 평형은 반응물과 생성물이 모두 기체상일 때이고, 불균일 평형은 1개 이상의 상이 존재하는 것입니다. 그리고 평형은 순수한 액체나 고체의 양에 무관합니다. 따라서 평형식에 액체, 기체를 쓰지 않습니다.
ex) $ CaCO_{3(s)} \rightleftharpoons CaO_{(s)} + CO_{2(g)} $
$ K = [CO_2] $
* 반응 지수
계가 이동하는 방향을 결정하는 요인인 반응 지수로 평형으로 가는 방향을 찾을 수 있습니다. 반응지수는 평형 상수와 마찬가지로 똑같이 쓰고 그 농도 안에 현재 값을 넣으면 찾을 수 있습니다. 그리고 반응 지수와 평형 상수를 비교하여 방향을 결정합니다.
Q < K : 오른쪽으로
Q = K : 평형
Q > K : 왼쪽으로
** 르샤틀리에의 원리 **
가장 중요한 르샤틀리에의 원리입니다. 이 원리는 평형인 계에 어떤 변화가 가해지면 그 변화를 감소시키는 방향으로 평형위치가 이동한다는 것입니다. 처음에는 어떤 뜻인지 모를 수도 있지만 나중에 깨닫게 되면 굉장히 흥미로운 원리입니다.
변화에 따른 방향을 설명해보겠습니다.
i) 일정한 온도와 압력 / 일정한 온도와 부피일 때
- 반응물 또는 생성물을 첨가 : 첨가한 성분의 농도를 낮추는 방향으로 평형 이동
- 반응물 또는 생성물을 제거 : 첨가한 성분의 농도를 높이는(생성하는) 방향으로 평형 이동
ii) 비활성 기체 첨가
전체 압력은 증가하지만 반응물이나 생성물의 농도나 부분압에 영향을 주지 않는다.
iii) 용기 부피 변화
- 용기 부피 감소 : 자체 부피가 감소하는 방향으로 평형 이동 = 전체 몰 수가 적어지는 방향
- 용기 부피 증가 : 자체 부피가 증가하는 방향으로 평형 이동 = 전체 몰 수가 많아지는 방향
iv) 온도 변화
K값은 온도에 따라 변한다.
- 온도 증가 : 에너지를 소비하는 방향으로 평형 이동
- 온도 감소 : 에너지를 방출하는 방향으로 평형 이동
ex) 발열/흡열반응에서 열을 가하면 흡열반응 우세
고등학교 화학에서는 이정도까지 배웁니다. 제가 생각하는 가장 중요한 것은 "르샤틀리에의 원리" 입니다. 평형에서 아주 유용하게 쓰이는 친구이니 이것은 꼭 기억하고 이해하길 바랍니다.