화학2 : V-2. 화학 평형

1. 평형 상태

(1) 가역 반응과 화학 평형

가. 가역 반응

① 정반응과 역반응 : 화학 반응식에서 반응 물질로부터 생성 물질로 가는 반응을 정반응, 생성 물질로부터 반응 물질로 가는 반응을 역반응이라고 함.

② 가역 반응 : 반응 조건(온도, 압력 등)에 따라 정반응과 역반응이 모두 일어나는 반응. 정반응과 역반응을 같이 묶어 ''로 나타낸다.

나. 비가역 반응

① 비가역 반응 : 정반응은 일어나지만 역반응이 일어나기 어려운 반응으로 한쪽으로만 반응이 진행됨.
② 비가역 반응의 예
㉠ 기체 발생 반응 : 생성된 기체가 처음 물질로 되돌아가기 어렵다.

㉡ 앙금 생성 반응 : 앙금이 다시 녹아 처음 물질로 되돌아가기 어렵다.

㉢ 강산과 강염기의 중화 반응 : 중화 반응에 의해 생성된 물 분자는 거의 분해되지 않는다.

(2) 화학 평형 상태

가. 화학 평형 상태

① 가역 반응에서 온도나 압력 등의 반응 조건이 일정하게 유지되면 정반응과 역반응의 속도가 같아져서 겉보기에 반응이 진행됮 않는 것처럼 보이는 상태.

② 화학 평형 상태의 예
㉠ 반응 물질의 농도는 점점 줄어들다가 일정해지며, 생성 물질의 농도는 점점 늘어나다가 일정해진다.(오른쪽 그림)
㉡ 정반응 속도는 점점 느려지고, 역반응 속도는 점점 빨라지다가 두 속도가 같아진다. ☞ 평형 상태

나. 화학 평형 상태의 성질

① 평형 상태에서는 반응 물질과 생성 물질이 함께 존재함.
② 화학 반응식의 계수는 반응 물질과 생성 물질의 존재비와는 무관하다. 반응 물질과 생성 물질의 존재비는 외부 조건에 따라 달라짐.
(예) 2NO₂(g) N₂O₄(g) 반응이 평형상태에 있다면, NO₂와 N₂O₄의 존재비는 2:1이 아니다.
③ 평형 상태에 있는 화학 반응에서는 외부 조건(온도, 압력등)을 변화시키면 반응물질과 생성 물질의 존재비가 달라져 새로운 평형 상태에 도달함.
④ 외부 조건이 같으면 반응이 정반응에서 출발하든지, 역반응에서 출발하든지 같은 평형 상태에 도달함.
⑤ 평형 상태에서는 반응 물질과 생성 물질의 농도가 외부 조건이 변하지 않는 한 항상 일정함. ☞ 평형 농도

2. 화학 평형의 법칙

(1) 화학 평형의 법칙

: 일정 온도의 화학 평형 상태에서는 반응 물질의 농도의 곱과 생성 물질의 농도의 곱의 비는 항상 일정하다.

가. 평형 상수

나. 불균일 평형일 때의 화학 평형

① 불균일 평형 : 둘 이상의 상(phase)으로 이루어지는 평형.
② 밀폐된 용기 속에서 고체 탄산칼슘을 넣고 가열하여 분해시키면 용기 속에서는 고체와 기체 사이에 다음과 같은 평형이 성립한다.

③ 불균일 평형에서의 평형상수식에는 순수한 고체나 액체는 제외한다. 이것은 순수한 고체나 액체의 농도는 일정하여 상수로 취급할 수 있기 때문이다.

(2) 평형 상수 구하는 법

가. 평형 상수 구하는 순서

① 반응 물질과 생성 물질의 평형 농도를 구한다 (몰농도를 사용)
② 화학 반응식의 계수를 맞추어 완결한 후 평형 상수식을 구한다.
③ 평형 상수식에 평형 농도를 대입하여 평형 상수를 구한다.

나. 평형 농도가 주어진 경우

평형 농도가 주어진 경우는 평형 농도를 평형 상수식에 대입하여 구한다.

(예) 어떤 온도에서 A + 2B 2C의 반응이 평형 상태에 도달했을 때 A, B, C의 농도가 다음과 같으면 이 반응의 평형 상수는
[A]=0.2 몰/L, [B]=0.4 몰/L, [C]=0.8 몰/L

다. 평형 농도가 주어지지 않은 경우

: 평형 농도가 주어지지 않은 경우는 화학 반응식의 양적 관계를 이용하여 평형 농도를 구한 다음 평형 상수식에 대입하여 구한다.
(예) 어떤 온도에서 1L들이 용기에 A 4 몰, B 3 몰을 넣고 반응시키니 다음과 같은 반응이 일어날 때 A가 2몰 반응한 후 평형에 도달하였다. 평형 상수는

(3) 평형 상수가 나타내는 의미와 성질

가. 평형 상수(K)의 값은 온도에 의존하는 상수이다. 반응 물질과 생성 물질의 농도가 변해도 온도가 일정하면 K 값은 항상 일정함.

나. K값이 크면 정반응이 우세하게 일어나고, K값이 작으면 역반응이 우세하게 일어난다.
다. 정반응과 역반응의 평형 상수는 서로 역수의 관계이다.

라. 화학 반응식에서 계수가 변하면 평형 상수의 값도 변한다.
㉠
( 계수를 배하면, 평형상수값은 양의 제곱근이 됨)
㉡
(계수를 2배하면, 평형상수값은 제곱이 됨)

(4) 평형 상수와 반응의 진행

: 어떤 온도에서 어떤 화학 반응의 평형 상수를 K라 하고 반응 용기에 반응 물질과 생성 물질을 넣고 반응시킬 때 평형 상수식에 실제 농도를 대입한 값을 K'라고 하여 K와 K' 값을 비교하면, 반응의 진행 방향을 예측할 수 있다.

① K' = K : 평형 상태 ② K' > K : 역반응 진행 ③ K' < K : 정반응 진행

(예) A + B C 반응의 t℃에서의 평형 상수(K)를 10 이라고 하고, t℃에서 A, B, C 물질을 용기에 넣고 반응시킬 때 평형 상수를 K'라고 하면,

3. 화학 평형의 이동

(1) 평형 이동의 법칙(르 샤틀리에의 원리)

가. 평형 이동의 법칙

① 평형의 이동 : 평형 상태에 있는 반응에 반응 조건의 변화를 주면 평형이 깨어져서 정반응이나 역반응이 우세하게 일어나게 되고 새로운 평형 상태에 도달하게 된다.
② 평형 이동의 법칙(르샤틀리에의 원리) : 가역 반응이 평형 상태에 있을 때 농도,압력, 온도와 같은 반응 조건을 변화시키면, 그 조건의 변화를 감소하려는 방향으로 반응이 진행되어 새로운 평형 상태에 도달한다.
③ 평형 이동의 조건에 따른 반응의 진행방향 : 농도, 압력, 온도는 크게 하면 감소하는 쪽으로, 작게 하면 증가하는 쪽으로 반응이 진행되지만, 촉매에 의한 평형 상태의 이동은 없다.
④ 평형 이동과 평형 상수 : 일정한 온도에서, 농도나 압력이 변화하여 평형이 이동되더라도 평형 상수는 변하지 않는다. 즉, 이다.(단, 온도가 변하면, 이다.)

나. 화학 평형의 이동에 영향을 미치는 요인

① 농도의 영향

◈ 반응 물질의 농도를 증가시키면 ⇒ 생성계 쪽으로 반응이 진행(정반응) ◈ 생성 물질의 농도를 증가시키면 ⇒ 반응계 쪽으로 반응이 진행(역반응)

(예) 평형 상태에 있는 다음과 같은 반응에서
N₂ 를 첨가시키면, N₂가 감소하는 정반응이 일어난다.

평형 상수는 농도에 관계없이 온도가 일정하면 일정하므로 K' 가 K 값과 같아지려면 NH₃의 농도가 커져야 하므로 정반응이 일어난다.

② 압력의 영향

◈ 압력을 높이면, 압력을 낮추는 방향(=기체의 몰수가 적어지는 방향)으로 평형이 이동 ◈ 압력을 낮추면, 압력을 높이는 방향(=기체의 몰수가 늘어나는 방향)으로 평형이 이동

㉠ 압력의 변화에 따른 반응의 생성물의 수득율

㉡ 반응에서
압력을 높이면 압력이 낮아지는 방향, 즉 기체의 몰 수가 감소하는(4몰->2몰) 정반응이 진행되고,
압력을 낮우면 기체의 몰 수가 증가하는(2몰->4몰) 역반응이 진행됨
㉢ 반응처럼
기체의 몰 수가 양쪽이 같은 반응은 압력에 의해 평형은 이동되지 않는다.
㉣ 의 반응에서
고체 C(s)는 압력을 나타내지 않으므로 압력을 높이면 압력이 낮아지는 방향, 즉 기체의 몰 수가 작아지는 역반응이 진행된다.

③ 온도의 영향

◈ 평형계의 온도를 높이면, 온도가 낮아지는 방향(흡열 반응) 쪽으로 평형이 이동된다. ◈ 평형계의 온도를 낮추면, 온도가 높아지는 방향(발열 반응) 쪽으로 평형이 이동된다.

의 반응이 평형 상태에 있을 때
㉠ 온도를 높이면 : 온도가 낮아지는 흡열 반응 쪽인 역반응이 진행된다.
㉡ 온도를 낮추면 : 온도가 높아지는 발열 반응 쪽인 정반응이 진행된다.

④ 촉매의 영향 : 정촉매는반응 물질의 활성화 에너지를 낮춰 화학 반응이 빠르게 일어나도록 도와 쉽게 평형에 도달시켜 주는 역할을 할 뿐, 평형 상태를 이동시켜 주지 못한다.

(2) 화학 평형의 응용

가. 수득율을 높이는 방법

실제 얻어지는 생성물의 양(실험값)
① 수득율(%) = -------------------------------------- × 100
반응에서 기대되는 생성물의 양(계산값)
② 수득율을 높이기 위해, 반응 조건을 조절하여 정반응 쪽으로 평형 이동이 일어나게 한다(르 샤틀리에의 원리 이용).

나. 화학 평형을 결정짓는 인자

① 에너지 변화와 화학 반응 : 자연계에서 일어나는 화학 반응은 에너지가 낮아지는 발열 반응 쪽으로 자발적인 진행을 한다(비유: 물은 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐른다).
② 화학 반응과 무질서도 : 자발적인 반응은 무질서도가 증가하는 방향으로 진행하려고 한다.
③ 화학 평형의 결정 : 화학 평형 상태는 에너지가 낮아지려는 경향과 무질서도가 증가하려는 경향의 조화에 의해 결정된다.