(화학 평형)조건변화에 따른 평형의 대응

열을 이용한 화학반응

 

화학 평형에서의 반응

모든 화학 평형은 동적 평형입니다. '동적'이라고 표현하는 것은 반응이 평형에 도달할 때 정반응과 역반응이 동시에 일어나고 있기 때문입니다. 즉, 반응물이 소모되어 생성물이 발생하는 속도와 동일한 속도로 생성물이 반응물로 분해되고 있는 것입니다. 결과적으로 반응 혼합물의 조성은 일정하게 유지됩니다.

평형에서는 알짜 변화가 더 이상 일어나지 않지만, 정반응과 역반응이 계속해서 일어납니다. 

 

동적 화학 평형의 기준은 대표적으로 두 가지입니다. 

 

1. 정반응과 그 역반응이 둘 다 동시에 일어납니다.

2. 그들은 같은 속도로 일어난다. 따라서 알짜 반응의 변화는 없습니다. 

 

동적 평형은 온도와 압력 변화에 대응하며, 화합물을 추가로 첨가하더라도 전체적인 조정의 변화는 없습니다. 평형 상태에 도달해 더 이상 일어나고 있지 않은 반응 상태에서는 작은 변화를 주더라도 대응하지 않습니다. 

 

화학 평형에서 조건 변화의 효과

화학 평형은 동적이므로, 반응이 일어나고 있는 조건을 변화시키면 이에 대응합니다. 반응물을 첨가하거나 제거하여 평형을 교란시키면 △G 값이 바뀌고 조성은 △G 값이 0이 될 때까지 진행합니다.

여기서 △G는 반응 단계에서 물질들이 갖는 부분 압력이나 농도에서 생성물들과 반응물들의 몰 Gibbs 자유 에너지입니다. 어느 화학 반응이나 그 평형이 될 때까지 자발적으로 진행하는 경향을 갖습니다. 예를 들어 반응 혼합물이 아직 평형에 이를 만큼 충분한 생성물을 생성하지 않았을 때는, 자발적 변화의 방향은 반응물이 소모되고 생성물이 더 생성되는 방향으로 진행됩니다. 이러한 경우 일정한 온도와 압력에서 △G<0입니다.  정반응은 Gibbs 자유 에너지가 감소하는 방향으로 변하는 자발적 경향을 갖습니다. 만약 생성물이 과량으로 존재한다면, 그 역반응이 자발적 반응이 되는 것으로 정반응의 경우 △G>0이고, 역반응이 △G<0입니다. 

프랑스 화학자 Henri Le Chatelier의 원리 [동적 평형에 있는 계에 자극을 주면, 평형은 그 자극의 효과를 최소화하는 경향이 있다]에 따라서, 평형에 있는 반응 혼합물의 조성이 조건이 변화됨에 따라서 변하는 경향을 예측할 수 있습니다. 이는 열역학과 일관성이 있으며 열역학으로부터 정량적 결론을 내릴 수 있습니다. 

 

1. 시약의 첨가와 제거

예를 들어 질소와 수소 반응 혼합물로 부터 암모니아를 생성하는 암모니아 합성 반응이 평형에 이르렀을 때, 수소 기체를 더 추가한다고 해봅시다. 르 샤틀리에 원리에 의하며, 수소 분자 농도의 증가는 수소가 질소와 반응하여 추가된 수소에 의한 자극을 최화하려고 그 농도를 감소시키려고 합니다. 그 결과 암모니가가 더 생성됩니다. 만약 평형 상태에서 암모니아를 더 첨가한다면, 반응물을 형성하는 방향으로 역반응이 일어날 것입니다. 

 

2. 반응 혼합물의 압축

기체상 평형은 반응 부피를 축소하는 압축에 대응합니다. 즉 반응은 얍력 증가를 줄여 주는 방향으로 일어납니다. 르 샤틀리에 원리를 다시 끌어와 설명할 수 있는데, 평형에 있는 반응을 압축할 때, 기체상 내 분자 수가 감소하는 경향이 있음을 예측하게 합니다. 반응 I2(g)↔ 2 I(g)에서는 기체 반응물 분자 1몰이 기체 생성물 분자 2몰을 생성합니다. 이 반응에서 정반응은 용기 내 입자 수를 증가시키어 계의 전체 압력을 증가시키고, 그 역반응은 이를 감소시킵니다. 이 혼합물을 압축하면, 평형 조성은 정반응인 반응물을 선호하는 방향으로 이동하려는 경향을 갖습니다.

 

3. 온도와 평형

발열 반응의 경우 생성물이 생성되면서 열이 발생하는데, 이 때 인위적으로 열을 낮추어 주면 생성물의 생성이 더 얻을 수 있습니다. 반대로 온도를 높여주면, 반응물이 형성됩니다. 즉, 평형에 있는 반응 혼합물의 온도를 증가시키면, 반응은 흡열 방향으로 이동합니다. 평형 조성에 관한 온도의 효과는 평형 상수가 온도에 의존하기 때문입니다. 

 

4. 촉매

축매란 그 자체는 소모되지 않고 화학 반응의 속도를 증가시키는 물질입니다. 촉매는 반응 혼합물의 평형 조성에 영향을 주지 않고 속도에만 영향을 주는 물질입니다. 그저 목적지에 도달하는 보다 빠른 길을 제공하는 것이죠. 

촉매는 정반응과 역반응을 같은 정도로 촉진시킵니다. 이러한 이유로 동적 평형은 변하지 않습니다.