Chapter 5-B_열화학

  이번 글은 물리와 연결이 된 엔탈피 (Enthalpy, H)의 대한 것이다. 주로, 열역학에서 사용하는 개념으로 어떤 계(system)의 총 에너지를 나타내는 상태함수 (State Function)를 말한다. 엔탈피는 내부에너지와 계가 가진 압력과 부피의 곱을 합한 값으로 정의된다. 그로인해, 엔탈피는 일정한 압력에서 계가 방출하거나 흡수하는 열과 직접적으로 관련이 있다. 열이 있음으로 발열반응과 흡열반응의 대한 내용은 당연하게 나올 것이라 예측할 수 있을 것이라 생각한다. 그렇다면, 화학반응에서 엔탈피는 무엇을 의미하는지 유추해 보라.  쉽게 유추할 수 있으리라 생각한다. 즉, 화학반응에서 엔탈피 변화는 반응물과 생성물의 엔탈피 차이의 의해 결정된다. 이번 글은 이 엔탈피를 공부하는 것이다. 2학년 또는 3학년 때 물리화학을 배우는데 이 부분이 중요한 Chapter로 다뤄지게 되니 지금부터 개념적인 이해를 하면 좋을 것 같다. 

5.3 & 5.4 엔탈피(Enthalpy, H)와 열화학 반응

• 엔탈피(H) 정의: 계의 내부 에너지와 압력-부피 일의 합.

H = E + PV

• 엔탈피 변화(ΔH): 일정한 압력에서의 열 출입량을 나타냄.

ΔH > 0: 흡열 반응 (Endothermic). (열을 흡수) (ex. 물이 증발할 때)

ΔH < 0: 발열 반응 (Exothermic). (열을 방출) (ex. 연소반응)

• 반응 엔탈피(ΔHrxn)

              ΔHrxn=Hproducts−Hreactants

            (반응물이 생성물보다 더 높은 에너지를 가지면 흡열 반응, 반대면 발열 반응.)

• ΔH의 성질

반응 물질의 양에 비례.

반응을 반대로 하면 ΔH 부호가 바뀜.

반응물과 생성물의 물리적 상태(고체, 액체, 기체)에 따라 ΔH 값이 달라짐.

엔탈피 (U=E)

5.5 열량측정법(Calorimetry)과 열용량

• 열량계(Calorimeter): 화학 반응에서 방출되거나 흡수된 열을 측정하는 장치.
• 열용량(Heat Capacity, C): 물질의 온도를 1K 올리는 데 필요한 열량.
• 비열(Specific Heat, Cs): 1g의 물질을 1K 올리는 데 필요한 열량.

물의 비열: 4.18 J/g·K (매우 높음).

• 흡수된 열량(q) 계산식

              q=Cs × m × ΔT

• 열량측정 방식

정압(상압) 열량계 → ΔH 직접 측정 가능.

정적(고정 부피) 열량계(폭탄 열량계, Bomb Calorimeter) → 연소 반응의 ΔE 측정.

5.6 헤스의 법칙(Hess’s Law)

• 헤스 법칙: 반응이 여러 단계로 진행되더라도 각 단계의 ΔH를 합하면 전체 ΔH가 된다.

                     ΔHtotal=∑ΔH각 단계

• 반응을 단계별로 나누어 ΔH를 계산할 수 있음.

5.7 표준 생성 엔탈피(Standard Enthalpy of Formation, ΔHf°)

• 표준 상태(298K, 1atm)에서 한 물질이 원소로부터 생성될 때의 ΔH.
• 표준 생성 엔탈피 값(ΔHf°)으로 반응 엔탈피 계산 가능

• 원소의 가장 안정한 상태(예: O₂, N₂, C(graphite))의 ΔHf°는 0.

표준생성엔탈피

5.8 연료값(Fuel Value)과 에너지 자원

• 연료값(Fuel Value): 1g의 물질이 연소될 때 방출하는 열량.
• 에너지원 : 

            -. 화석 연료(Fossil Fuels): 천연가스, 석유, 석탄.

            -. 석탄(Coal): 가장 풍부하지만, 황(S) 함유 → 대기오염 문제.

            -. 재생 에너지(Renewable Energy): 태양광, 풍력, 바이오매스, 수력.

            -. 핵에너지(Nuclear Energy): 화석 연료를 사용하지 않지만 폐기물 문제 존재.

• 에너지 문제는 환경과 정치에 큰 영향을 미침.

열역학에서 많이 문제로 나올 수 있는 것이 헤스의 법칙인데, 위의 설명을 조금 더 표현하면, "반응의 총 엔탈피 변화는 반응 경로와 무관하게 처음과 끝 상태만으로 결정된다"라고 말할 수 있다. 결국 여러 개의 반응 단계를 거친다 하더라도 총 엔탈피 변화는 동일함을 의미한다. 따라서, 위의 개념을 잘 숙지한다면 훌륭한 화학자로 한 걸음 나아갈 수 있을 것이라 확신한다.