01
가역 반응과 동적 평형
• 가역 반응에서 동적 평형을 설명할 수 있다. 1 가역 반응 Ÿ 물의 상태 변화 : 물을 냉동실에 넣어 두면 얼음이 되고, 이 얼음을 냉동실에서 꺼내 놓으면 녹아서 다시 물이 된다.(얼음 ↔ 물 ↔ 수증기) Ÿ 물의 상태 변화처럼 화학 반응 에서도 생성물이 다시 반응물로 되는 반응이 일어날 수 있다. Ÿ 물의 검출 : 어떠한 반응에서 물이 생성되었는지 확인할 때 푸른색 염화 코발트 종이를 대어 본다. 물이 생성되었을 경우 푸르색 염화코발트 종이는 붉은색을 띤다. Ÿ 염화 코발트는 건조한 상태에서는 푸른색을 나타내지만, 수분을 흡수하면 붉은색으로 변한다. CoCl + 6HO CoCl·6HO (푸른색) (붉은색) Ÿ 정반응: 화학 반응에서 반응 물질로부터 생성 물질로 진행되는 반응 화학 반응식에서 오른쪽으로 진행되는 반응 Ÿ 역반응: 화학 반응에서 생성 물질로부터 반응 물질로 진행되는 반응 화학 반응식에서 왼쪽으로 진행되는 반응 Ÿ 가역 반응: (일정한 조건에서) 정반응과 역반응 모두 일어날 수 있는 반응 대부분의 화학 반응은 기본적으로 가역 반응이다. 예) 2NO2(g) ⇄ N2O4(g) 정반응 A B 역반응 ➜반응의 방향을 결 정하는 조건 : 온도[광합성과 호흡]
6CO2(g) + 6H2O(l) ⇄ C6H12O6(s) + 6O2(g)
[석회동굴과 종유석]
CaCO3(s) + CO2(g) + H2O(l) ⇄ Ca(HCO3)2(aq)
[탄산칼슘의 생성과 분해] CaCO3(s) ⇄ CaO(s) + CO2(g) [삼산화황의 생성과 분해] 2SO2(g) + O2(g) ⇄ 3SO3(g) [염화암모늄의 생성과 분해] NH3(g) + HCl(g) ⇄ NH4Cl(s) [물의 상태 변화(물리변화)와 가역 반응] Ÿ 비가역 반응: 한쪽 방향으로만 진행되는 반응(정반응이 매우 우세하게 일어나는 반응) (역반응이 거의 무시될 만큼 매우 적게 일어나는 반응) CH(g) + 2O(g) → CO(g) + 2HO(l) 예) 연소 반응 CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l) 중화 반응
HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O(l)
기체 발생 반응
Zn(s) + 2HCl(aq) → ZnCl2(aq) + H2(g)↑
앙금 발생 반응
2 동적 평형 Ÿ 물의 평형 : 닫힌 용기(닫힌계)에 넣은 물은 표면에서 증발이 일어나 수증기가 된다. 이때 생성 된 기체 상태의 물 분자는 용기 속에서 자유롭게 운동하다가 다시 액체로 돌아오기도 한다. Ÿ 응축 : 증발과 반대되는 현상 증발 HO(l) HO(g) 물 응축 수증기 Ÿ 반응 초기 : 증발하는 물 분자 수 > 응축하는 물 분자 수 Ÿ 반응 중 : 점점 응축하는 물 분자 수 증가 Ÿ 평형 상태 도달 : 증발하는 물 분자 수 = 응축하는 물 분자수 ( 증발 속도= 응축 속도 ) 이 상태에 도달하면 겉으로는 변화가 일어나지 않는 것처럼 보인다. Ÿ 동적 평형 : 이와 같이 겉보기에는 반응이 일어나지 않는 것처럼 보이지만 실제로는 정반응과 역반응이 같은 속도로 일어나고 있는 상태. 01 그림에서 밀폐 용기에 담아 둔 물이 동적 평형에 도달했을 때 일정한 시간에 증발하는 물 분자 수와 응축하는 물 분자 수를 비교해 보자. Ÿ 석출 : 수용액 속에 용해된 설탕 분자가 많아질수록 이 분자들 중 일부는 녹지 않고 가라앉은 고체 상태의 설탕 표면에 충돌하여 다시 고체로 되는 용해와 반대되는 현상. 용해 설탕(용질) + 물(용매) 설탕물(용액) 석출 Ÿ 반응 초기 : 용해되는 설탕 분자 수 > 석출되는 설탕 분자 수 Ÿ 반응 중 : 점점 석출되는 설탕 분자 수 증가 01
02 용매에 용질이 충분히 녹아 동적 평형에 있는 용액에서 용질의 용해 속도와 석출 속 도의 관계를 설명해보자.
사산화 이질소의 생성 반응과 분해 반응에서의 변화 해 석하기 목표 | 가역 반응에서 동적 평형을 설명할 수 있다. / 자료 해석 01 (P. 146) 적갈색을 띠는 이산화 질소(NO)가 서로 결합하여 무색의 사산화 이질소(NO)를 생성하는 반응은 다음과 같이 가역적으로 일어난다. 2NO(g) NO(g) 적갈색 무색 적갈색을 띠는 NO를 밀폐 용기에 넣은 다음 실온에 두었더니 그림과 같은 결과를 얻을 수 있었다. | 정리 | ● (가)에서 (나)로 될 때 적갈색이 점점 옅어지는 까닭을 토의해 보자. ➡ 반응 초기에는 적갈색을 띠는 NO2(g)가 무색인 N2O4(g)가 되는 정반응 속도가 역반응 속도보다 빨라 적갈색이 점점 옅어진다. ● (나)에서 (다)로 되어도 적갈색이 더 이상 옅어지지 않는 까닭을 토의해 보자. ➡ 적갈색을 띠는 NO2(g)가 무색인 N2O4(g)를 생성하는 정반응 속도와 무색인 N2O4(g)가 적갈색을 띠는 NO2(g)를 생성하는 역반응 속도가 같은 동적 평형 상태이다. 따라서 NO2(g)가 소모된 것만큼 다시 N2O4(g)가 분해되어 NO2(g)를 생성하여 NO2(g)의 양이 일정하게 유지되므로 색깔 변화가 없다. Ÿ 반응 초기 : 밀폐 용기에 NO가 들어 있으므로 적갈색을 띤다. Ÿ 반응 중 : NO가 서로 결합하여 무색의 NO를 생성하는 반응이 일어나므로 적갈색이 점점 옅어진다. 어느 정도 반응이 진행되면 NO가 분해되어 적갈색을 띠는 NO를 생성하는 역 반응 진행 Ÿ 평형 상태 도달 : 충분한 시간이 지나면 NO를 생성하는 정반응과 NO가 분해되는 역반응 이 같은 속도로 일어나는 동적 평형에 도달한다. 동적 평형에서는 NO의 농도 뿐만 아니라 NO의 농도가 일정하게 유지되므로 더 이상 혼합 기체의 색깔 이 변하지 않고 일정하게 유지된다. Ÿ 가역 반응에서는 반응물이 모두 소모되어 생성물로 변하는 것이 아니라 생성물이 반응물로 변 하는 반응도 일어난다. 따라서 충분한 시간이 지나면 반응물과 생성물의 농도가 일정하게 유지. Ÿ 물의 증발, 설탕의 용해뿐만 아니라 가역적으로 일어나는 화학 반응에서도 동적 평형에 도달.
02
물의 자동 이온화
• 브뢴스테드-로리 산 염기 정의를 설명할 수 있다. • 물의 자동 이온화와 물의 이온화 상수를 이해하고, 수소 이온의 농도를 pH로 표현할 수 있다. 1 브뢴스테드-로리 산 염기 Ÿ 아레니우스의 산염기 ¤ 산 : 물에 녹아 수소 이온(H)을 내놓는 물질 예) HCl ⇄ H Cl HSO ⇄ H SO ¤ 염기 : 물에 녹아 수산화 이온(OH)을 내놓는 물질 예) NaOH ⇄ Na OH BaOH ⇄ Ba OH ¤ 한계점: 수용액이 아닌 곳에서의 산염기 반응을 설명하지 못한다. Ÿ 브뢴스테드와 로우리의 산염기 ¤ 산 : 다른 물질에게 H(양성자)을 내놓는 물질 ➜ 양성자 주개 ¤ 염기 : 다른 물질로부터 H(양성자)을 받아들이는 물질 ➜ 양성자 받개 ¤ 양쪽성 물질 : 반응에 따라 양성자를 주기도하고 받기도 하는 물질 반응물에 따라 산 또는 염기로 작용할 수 있는 물질Ÿ 루이스의 산염기 ¤ 산 : 다른 물질에게 비공유 전자쌍을 받아들이는 물질 * 전자쌍을 받을 수 있는 이온이나 분자(Ag+, BF 3)까지 해당됨. ¤ 염기 : 다른 물질에게 비공유 전자쌍을 내놓는 물질 * 비공유 전자쌍을 가진 물질까지 해당됨. Ÿ 산-염기의 정의 04 다음 반응에서 브뢴스테드ㆍ로리 산과 염기를 각각 찾아보자. ⑴ (aq) + (l) → (aq) + (aq)
2 물의 자동 이온화와 pH Ÿ 물의 자동 이온화 물은 양쪽성 물질 : 암모니아와 반응할 때에는 H을 내놓는 산으로 작용하지만, 염화 수소와 반응할 때 에는 H을 받아들이는 염 기로 작용한다. 물의 자동 이온화 : 순수한 물에서 물 분자끼리 양성자 를 주고받아 이온화 되는 반응. 매우 적은 수의 분자만 일어난다. Ÿ 물의 이온화 상수(KW) 물의 자동 이온화 반응이 동적 평형에 도달하면 하이드로늄 이온(HO)의 농도와 수산화 이온 (OH)의 농도가 변하지 않고 일정하게 유지된다. 이 때 이들의 곱을 물의 이온화 상수라고 한다. [HO][OH] = 1× M (25℃) 물의 이온곱상수 Kw는 온도의 함수이다. 압력 및 농도의 변화가 일어나도 물의 이온곱상수 Kw는 일정하다. 온도가 변화될 때만 물의 이온곱상수 Kw가 변화된다. 온도(℃) 0 20 25 40 60 Kw(M2) 1.14×10-15 6.81×10-15 1.01×10-14 2.92×10-14 9.61×10-14 순수한 물이 25℃에서 자동 이온화하여 동적 평형에 도달한 상태에서 HO의 농도와 OH의 농 도는 각각 1× M이다. [HO] = [OH] = 1× M 물의 이온곱상수 Kw는 온도에 의존한다. 압력 및 농도의 변화가 일어나도 물의 이온곱상수 Kw는 일정하다. 온도가 변화될 때만 물의 이온곱상수 Kw가 변화된다. 02 ․
Ÿ 수용액의 액성에 따른 HO과 OH의 농도 관계
산성 중성 염기성
H2O(l) ⇄ H+(aq) + OH-(aq)
HA(l) ⇄ H+(aq) + A-(aq) H2O(l) ⇄ H
+(aq) + OH-(aq) H2O(l) ⇄ H +
(aq) + OH-(aq) BOH(l) ⇄ B+(aq) + OH-(aq)
＞ ＞ Ÿ 순수한 물은 물이 이온화하여 생성되는 HO과 OH의 농도가 같기 때문에 중성이다. Ÿ 물에 산을 넣으면 [HO]가 [OH]보다 커지므로 수용액은 산성을 나타낸다. Ÿ 물에 염기성 물질을 넣으면 [OH]가 [H O]보다 커지므로 수용액은 염기성을 나타낸다. 05 25℃의 0.01M 염산(HCl(aq))에서 [HO]와 [OH]를 각각 구해 보자. Ÿ pH(수소 이온 농도 지수) pH = log HO = -log[HO] pOH = log OH = -log[OH] pH + pOH = 1 4 (25℃) 02 수용액 속의 수소 이온은 물분자와 결합하여 H3O⁺ 이 온 ( 하 이 드 로 늄 이 온 ) 을 형성한다. 따라서 수용액 속의 모든 수소 이온은 하이드로늄이온으 로 존재한다고 볼 수 있 으므로
