제7장 화학평형

목차

7장 화학평형
7.1 반응 Gibbs 에너지
7.2 조성에 따른 ΔrG의 변화
7.3 평형에서의 반응
7.4 표준 반응 Gibbs 에너지
7.5 평형조성
7.6 농도로 표현한 평형상수
7.7 연계된 반응
7.8 촉매영향
7.9 온도영향
7.10 압축영향

본문내용

K임
(7.7)
식 (7.6)은 (7.8)
데이터등과 같은 열역학적 자료로 부터 평형상수 값 예측
반응의 평형상수 측정에 의해 값 결정
이면 : 평형에서 생성물이 주를 이룸 반응이 열역학적으로 가능
but 생성물이 반응물에 비해 많이 존재하기위한 조건 : (대략 이상)
인 경우도 어느 정도 생성물이 존재
표 7.1 자발성에 대한 열역학 기준
그림 7.5흡열반응에서 이 되기 위해서는 보다 커야함
의 양수에서 음수로의 변환은 이 되는 온도에서 발생
그때의 온도 : (7.9)
예시 7.3 칼슘 탄산염(탄산칼슘)의 열분해(흡열) 반응 :
이 반응의 =+178 kJ mol-1이고, = +161 J K+ mol-1 이다.
분해반응이 자발적이 되는 온도, 즉 분해 온도는
, 약 832℃
7.4 표준 반응 Gibbs 에너지
는 화학평형 판단과 평형상수 계산에 중요
(7.10)
표준반응 Gibbs 에너지 계산 : 표준생성엔탈피 표준반응 엔탈피
3법칙 엔트로피 표준반응 엔트로피를 계산
(7.11)
표 7.2 표준생성 Gibbs 에너지
예) 물 :
물의 표준생성 Gibbs = 반응의 표준 반응 Gibbs 에너지
: ,
: ,
: ,
표준상태에서 원소들의 표준생성 Gibbs 에너지는 0
(7.12)
표준생성 Gibbs 에너지 : 표준상태하에서 어떤 물질이 그를 구성하는 원소(기준상태에 있는)
들로부터 생성되는 반응에서의 Gibbs 에너지 변화,
평형상수 K를 계산하는데 유용
인 화합물 : 원소들에 비해 열역학적으로 불안정하고 흡에너지이다.
오존 : ,
, 1보다 작다.
오존이 열역학적으로 불안정하지만 산소로 변환하는 반응이 느리면 오존이 존재할 수 있다.
대기의 상층권 현상(오존이 존재)
벤젠 : ,
변화가 매우 느림
인 화합물 : 원소들에 비해 열역학적으로 안정하고 발에너지이다.
7.5 평형조성
평형상수 : ( , )
생성물을 형성하는 쪽으로 강한 추진력
: ( , )
미반응된 반응물
: 평형에서 상당량의 반응물과 생성물이 모두존재
평형농도를 얻기 위한 작업 : 평형표를 작성
1. 성분들의 초기 몰농도나 분압
2. 시스템이 평형에 도달하기 위해 발생하는 이들 수치의 변화
3. 얻어지는 평형수치
농도나 분압 변화를 x 로 둠,
평형에서의 값들을 평형상수 나타내는 식들에 대입,
x에 대해 풀이
예제 7.1 , 25℃에서 평형에 있는 용액의 조성을 예측하고 반응의 자발도가 농도에 따라 어떻게 변화하는지를 보이는 그래프를 그려라. 반응의 이다.
풀이)
,
예제 7.2 평형 농도 계산
산업공정에서 1.00 bar인 가 3.00 bar인 와 혼합되어 일정한 부피의 반응기(촉매존재) 내에서 암모니아를 생성하면서 평형에 도달하였다. 반응온도에서 실험적으로 결정된 평형상수는 이다. 세 기체들의 평형 분압은 얼마인가?
풀이)
압력
N2
H2
NH3
총 압력
초기
1
3
0
4
평형
1-x
3-3x
2x
4-2x
bar, bar, bar
7.6 농도로 표현한 평형상수
평형상수 K : 활동도에 의존
: 분압으로 나타낼 때
: 몰농도로 나타낼 때
일 때
=
분압을 이상기체 상태방정식으로 적용:
=, (7.13a)
(7.13b)
7.7 연계된 반응
비자발적 반응을 자발적 반응에 의해 진행시킬수 있음.
흡에너지반응(endergonic reaction) + 발에너지반응(exergonic reaction)
전체 반응()이 음수이면 자발적
일반적인 세포조건에서 발에너지 : 반응을 연계할 수 있는 적절한 효소가 존재하면
흡에너지 반응을 진행시킬 수 있음
포도당의 인산화 : 흡에너지
세포내 ATP의 가수분해에 연계되어 전체 반응이 발에너지가 되어
당분해 반응이 시작됨
수소이온의 표준상태 : , , ,
생물학적 표준상태 : , , ,
,
예제 7.3) 열역학 표준상태와 생물학적 표준상태 사이의 전환
삼인산아데노신(ATP) 가수분해 반응의 표준 반응 Gibbs 에너지는 298 K에서 이다. 생물학적 표준상태에서의 수치는 얼마인가?
풀이)
( 37℃, )
평형에 영향을 주는 조건
“평형계에 변화가 있을 때, 계의 조성은 이 변화의 영향을 최소화 하도록 조절된다.”
: Le Chaterlier의 법칙
7.8 촉매영향
촉매는 전체 반응식 상에 나타나지 않으면서 반응을 촉진시키는 물질이다.
효소 : 생물학적 촉매
반응은 빨라 지지만 방응물과 생성물은 변화엾음.
: 반응 경로에 무관
이므로 평형상수 K도 변하지 않음
7.9 온도영향
Le Chaterlier의 법칙 : 온도가 증가하면 열을 방출하고 온도가 내려가면 열을 흡수하는
방향으로 반응이 진행
발열반응의 평형조성은 반응물 쪽으로 이동하고
흡열반응의 평형조성은 생성물 쪽으로 이동한다.
각 경우 온도증가를 최소화 하는 방향으로 변화가 일어난다.
이유: 이므로 K의 온도 의존성 때문.
if 엔탈피와 엔트로피가 온도 변화에 많이 변하지 않는다면
(7.14)
기체의 생성이나 소모의 경우 적용하기 쉽다
온도가 K에 미치는 영향
if 엔탈피와 엔트로피가 온도 변화에 무관하다고 가정
,
를 대입하면
다른온도 에서는 ,
두식을 빼면 van‘t Hoff 식 (7.15)
이면 ,
if (흡열반응) 이면 즉 이다.
흡열반응의 평형상수는 온도가 증가하면 증가한다.
if (발열반응) 이면 즉 이다
발열반응의 평형상수는 온도가 증가하면 감소한다.
7.10 압축영향
평형상태의 계가 압축되면 평형조성은 기상의 분자 수가 감소하는 방향으로 조절된다.
는 표준상태( 1 bar) 의 Gibbs 에너지 차이
반응에 사용된 압력과 관계없이 는 같은 값 K 는 압력에 무관
K값은 계가 처한 압력에 무관하지만 분압이 복잡한 형태로 K값에 대한 표현에 나타나기 때문에 각 성분의 분압 또는 농도는 변화함.
=
예) 이 평형에 도달 후
다시 반응기 부피가 2배로 줄어든 후 평형에 도달 했다고 가정
if 분압이 두배 증가하면 이
그러나 K 는 변화하지 않는다.
는 분압이 2배 이하로 변하고 의 분압이 두배 이상으로 변화하면
압력변화에도 K 가 일정하기 위해는 몰조성이 변화하여야 함
,
(7.16)

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