Chapter 15. 화학평형 (Chemical Equilibrium)

지난번 글은 일반적으로 통용되는 화학평형과 관련한 내용을 정리하였다. 이번 글에서는 Chapter 15를 정리하고자 한다. 화학평형의 기본적인 개념 (지난번 글과 동일)을 시작으로 전반적인 내용을 정리할 것이다. 결국, 화학은 실험을 해야하는데, 그 실험이라는 것이 반응물에서 생성물로 가는 방향 또는 방법의 대한 것이기 때문이다. 자, 이제 시작해 보자.

15.1 화학 평형의 개념

• 화학 평형 (Chemical Equilibrium): 정반응과 역반응이 동일한 속도로 일어나 농도가 일정하게 유지되는 상태.
• 평형 상태에서는 반응물과 생성물의 농도 변화 없음, 단 개별 분자는 계속 반응 중.
• 온도가 일정하게 유지되면 평형 혼합물의 조성은 변하지 않음.

15.2 질소-수소 반응과 질량 작용의 법칙

15.3 평형 상수 K의 의미 및 관계

• K 값의 크기에 따른 평형 위치

K 값이 크면 (K≫1) → 생성물의 농도가 높고, 평형이 생성물 쪽으로 이동.

K 값이 작으면 (K≪1K) → 반응물의 농도가 높고, 평형이 반응물 쪽으로 이동.

• 정반응과 역반응 관계

1. 역반응의 평형 상수는 정반응의 역수:
2. Kreverse = 1/ Kforward

• 반응이 여러 단계로 이루어진 경우

개별 반응들의 평형 상수를 곱하여 전체 반응의 평형 상수를 구함.

15.4 동질 평형과 이질 평형

• 동질 평형 (Homogeneous Equilibrium): 모든 반응물과 생성물이 같은 상(기체, 용액 등).
• 이질 평형 (Heterogeneous Equilibrium): 서로 다른 상(고체, 액체, 기체) 포함.

고체와 순수 액체의 농도는 평형식에서 제외됨.

• 예시: CaCO3(s)⇌CaO(s)+CO2(g)
• 평형 상수 표현: Kc=[CO2] (고체는 평형식에서 생략)

15.5 평형 상수의 계산

• 모든 물질의 농도(또는 분압)가 주어지면 K 계산 가능.
• 평형 도달 과정에서 농도 변화는 반응식의 계수비에 따라 결정됨.

15.6 반응 지수 Q 와 평형 위치 예측

반응 지수 Q:

주어진 시점의 반응물과 생성물의 농도를 평형식에 대입한 값.

평형 상태에서는 Q=K.

평형과 비교하여 반응 방향 예측 가능:

Q>K → 반응물 쪽으로 이동 (←, 역반응 진행).

Q>K → 반응물 쪽으로 이동 (←, 역반응 진행).

• K 를 알고 있으면, 미지 농도를 구할 수 있음 (ICE 표 활용).

15.7 르 샤틀리에의 원리 (Le Châtelier’s Principle)

• 평형이 교란될 경우, 시스템은 변화를 최소화하는 방향으로 이동.
• 농도 변화

1. 반응물 추가 → 생성물 쪽으로 평형 이동.
2. 생성물 추가 → 반응물 쪽으로 평형 이동.
3. 반응물 제거 → 반응물 쪽으로 평형 이동.
4. 생성물 제거 → 생성물 쪽으로 평형 이동.

• 압력과 부피 변화 (기체 반응에서만 적용됨)

1. 부피 감소(압력 증가) → 기체 몰 수가 적은 쪽으로 이동.
2. 부피 증가(압력 감소) → 기체 몰 수가 많은 쪽으로 이동.
3. 몰 수 변화 없는 반응에는 영향 없음.

• 온도 변화

1. 흡열 반응 (ΔH>0): 온도 증가 시 생성물 쪽으로 이동.
2. 발열 반응 (ΔH<0): 온도 증가 시 반응물 쪽으로 이동.

 

• 촉매 효과

1. 촉매는 평형까지 도달하는 속도만 증가시키고 K 값 자체에는 영향 없음.

 

여기까지가 Chapter 15 내용이다. 지난번 글을 잘 숙지 하였다고 하면, 이번 글은 어려움 없이 이해할 수 있을 것이라 생각한다. 다음 Chapter 16은 산과 염기 관련 된 내용이다. 지난번 글에 짧게 요약하였지만, 다음 Chapter에서 조금 더 깊이 알아보자. 이번 Chapter는 화학 반응과 관련된 것으로 반응물과 생성물의 대한 내용으로 이해 하였으리라 생각한다. 2학년 전공 수업 시간에 더 많은 내용으로 다루기 위해 전초라고 보면 될 것이다. 그럼, 열심히 하자.