가역 반응과 비가역 반응#

가역 반응#

가역 반응은 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는 반응이다.

가역 반응의 예#

  • 물의 증발과 수증기의 응축
  • 염화 코발트 종이의 색 변화
  • 석회 동굴과 종유석, 석순의 생성

비가역 반응#

비가역 반응은 한쪽 방향으로만 거의 진행되는 반응이다.

비가역 반응의 예#

  • 연소 반응
  • 중화 반응
  • 기체 발생 반응
  • 앙금 생성 반응

화학 평형#

화학 평형은 가역 반응에서 정반응 속도와 역반응 속도가 같아져, 반응물과 생성물의 농도가 일정하게 유지되는 상태이다.

화학 평형의 조건#

  • 온도가 일정해야 한다.
  • 닫힌계에서 일어나야 한다.
  • 정반응과 역반응이 모두 가능한 가역 반응이어야 한다.

물의 증발과 동적 평형#

물화학평형

닫힌 용기 안에 물을 넣으면 처음에는 물이 증발하여 수증기가 된다.

처음에는 수증기의 양이 적으므로 응축 속도는 작다. 시간이 지나면서 수증기의 양이 많아지면 응축 속도는 점점 증가한다.

결국 증발 속도와 응축 속도가 같아지면, 겉보기에는 변화가 없는 것처럼 보인다. 하지만 실제로는 증발과 응축이 계속 일어나고 있다. 이 상태를 동적 평형이라고 한다.

증발속도응축속도

기체 반응에서의 동적 평형#

기체동적평형

기체 반응에서도 정반응과 역반응이 모두 일어나는 가역 반응은 동적 평형에 도달할 수 있다.

반응이 진행되면 반응물의 농도는 감소하고 생성물의 농도는 증가한다. 이에 따라 정반응 속도는 점점 감소하고, 역반응 속도는 점점 증가한다.

결국 정반응 속도와 역반응 속도가 같아지면 동적 평형 상태가 된다.

정반응속도역반응속도

반응 속도에 영향을 주는 요인#

반응 속도에 영향을 주는 대표적인 요인은 다음과 같다.

  1. 온도
  2. 반응물의 농도

기체동적평형2

동적 평형의 특징#

  1. 동적 평형은 가역 반응에서 나타난다.
  2. 동적 평형 상태에서 정반응 속도와 역반응 속도는 같다.
  3. 동적 평형 상태에서도 정반응과 역반응은 계속 일어난다.
  4. 정반응 속도와 역반응 속도는 보다 크다.
  5. 동적 평형 상태에서는 반응물과 생성물의 농도가 일정하게 유지된다.
  6. 반응물과 생성물이 일정한 농도로 함께 존재한다.
  7. 화학 반응식의 계수비는 반응물과 생성물의 농도 변화량의 비와 같다.
정반응속도역반응속도＞

몰 농도#

몰 농도는 용액 속에 녹아 있는 용질의 양을 몰 단위로 나타낸 것이다.

용질의양용액의부피

또는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

몰농도용질의양용액의부피

화학 평형 법칙#

화학 평형 법칙은 일정한 온도에서 가역 반응이 화학 평형 상태에 도달했을 때, 반응물의 평형 농도와 생성물의 평형 농도 사이에 일정한 관계가 성립한다는 법칙이다.

일반적인 가역 반응을 다음과 같이 나타낼 수 있다.

이때 , , , 는 반응 계수이다.

평형 상수#

평형 상수 는 일정한 온도에서 화학 평형 상태에 있는 반응물과 생성물의 평형 농도 관계를 나타낸 값이다.

여기서 , , , 는 각 물질의 평형 농도를 의미한다.

따라서 일정한 온도에서 다음 값은 일정하다.

일정

기체 반응에서 압력 변화에 따른 화학 평형 이동#

기체반응에서압력변화에따른화학평형이동

르샤틀리에 원리는 화학 평형 상태에 있는 가역 반응에서 농도, 압력, 온도 등의 조건이 변하면 그 변화를 줄이는 방향으로 평형이 이동한다는 원리이다.

조건변화평형이동새로운평형

기체 반응에서 압력이 변하면, 평형은 전체 기체 분자 수의 변화를 줄이는 방향으로 이동한다.

  • 압력이 증가하면 전체 기체 분자 수가 감소하는 방향으로 평형이 이동한다.
  • 압력이 감소하면 전체 기체 분자 수가 증가하는 방향으로 평형이 이동한다.
  • 온도가 변하지 않으면 평형 상수 는 변하지 않는다.

이산화 질소와 사산화 이질소의 평형#

기체반응에서압력변화에따른화학평형이동2

이산화 질소()와 사산화 이질소() 사이의 평형은 다음과 같다.

이때 평형 상수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

는 적갈색 기체이고, 는 무색 기체이다.

압력을 증가시키면 전체 기체 분자 수가 감소하는 방향으로 평형이 이동한다. 따라서 평형은 가 줄어들고 가 생성되는 방향, 즉 정반응 방향으로 이동한다.

이때 적갈색인 의 농도가 감소하므로 압력을 가한 직후보다 색이 연해진다.

반대로 압력을 감소시키면 전체 기체 분자 수가 증가하는 방향으로 평형이 이동한다. 따라서 평형은 가 분해되어 가 생성되는 방향, 즉 역반응 방향으로 이동한다.

이때 적갈색인 의 농도가 증가하므로 색이 진해진다.

온도 변화와 화학 평형 이동#

온도변화와화학평형이동

화학 반응은 열의 출입에 따라 발열 반응과 흡열 반응으로 구분할 수 있다.

  • 발열 반응: 반응이 일어날 때 열을 방출하는 반응이다.
  • 흡열 반응: 반응이 일어날 때 열을 흡수하는 반응이다.

발열 반응에서는 반응물의 에너지 합이 생성물의 에너지 합보다 크다.

반응물생성물

흡열 반응에서는 반응물의 에너지 합이 생성물의 에너지 합보다 작다.

반응물생성물

염화 코발트 착이온의 평형#

염화 코발트 착이온의 평형은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

  • : 붉은색
  • : 푸른색

이 반응에서 정반응은 흡열 반응이고, 역반응은 발열 반응이다.

흡열반응 발열반응

온도를 높이면 열을 흡수하는 방향, 즉 흡열 반응이 우세하게 진행된다.

  • 온도를 높이면 정반응이 우세하게 진행된다.
  • 의 양이 증가하므로 용액은 푸른색에 가까워진다.
  • 흡열 반응의 평형 상수는 온도가 높아질수록 증가한다.

온도를 낮추면 열을 방출하는 방향, 즉 발열 반응이 우세하게 진행된다.

  • 온도를 낮추면 역반응이 우세하게 진행된다.
  • 의 양이 증가하므로 용액은 붉은색에 가까워진다.
  • 흡열 반응의 평형 상수는 온도가 낮아질수록 감소한다.

온도 변화와 평형 상수#

화학 평형 상태에서 온도가 변하면 평형 상수 가 달라진다.

온도가 변하면 반응 지수 와 새로운 평형 상수 가 같아질 때까지 화학 평형이 이동한다.

새로운 평형 상태에 도달하면 다시 반응 지수와 평형 상수는 같아진다.

  • 온도 증가: 흡열 반응이 우세하게 진행된다.
  • 온도 감소: 발열 반응이 우세하게 진행된다.