CHEMISTRY (Chapter 6‐1) Thermochemistry(CH 6.1 – 6.4)

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CHEMISTRY (Chapter 6‐1)

Thermochemistry(CH 6.1 – 6.4)

Tae Kyu Kim

Department of Chemistry Rm. 301 (tkkim@pusan.ac.kr)

http://plms.pusan.ac.kr

기체의 분자 운동론

압력 : 벽면에 기체 분자의 충돌

온도의 증가 : 벽면에 기체 분자의 충돌 수의 증가 분출과 확산

확산 : 오랜 시간 확산 후 용기 내에 농도 차이가 없어짐 실제 기체

Summary

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SUMMARY (CHAPTER 5)

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내부 에너지란 무엇인가 ?

계가 가지고 있는 총 에너지 : ∆E = q + w

Questions?

엔탈피란 무엇인가 ?

내부에너지 + PV: 일정압력 조건에서의 열변화 반응이 역으로 진행될 때 열 흐름은 ?

엔탈피 변화의 부호가 반대

Terminology

6.1 에너지 : energy

퍼텐셜 에너지 : potential energy 운동 에너지 : kinetic energy 열 : heat

일 : work 6.2

우주 : universe

6.3 열역학 :

thermodynamics 상태함수 : state function

엔탈피 : enthalpy

반응엔탈피 : reaction

enthalpy

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Nature of energy

A. Law of conservation of energy (에너지 보존의 법칙)

Energy (에너지): 일을 하거나 열을 발생시킬 수 있는 능력 에너지는 다른 형태로 바뀔 수는 있지만 새로 만들어지거 나 소멸되지 않음, 즉 우주의 에너지는 일정

B. Potential energy (퍼텐셜 에너지)

위치 또는 조성의 변화에 따른 에너지 댐 안의 물, 인력, 반발력

가솔린이 연소할 때, 반응물과 생성물을 이루고 있는 원자핵과 전자 사이의 인력이 변하면서 에너지 방출

C. Kinetic energy (운동 에너지)

물체의 운동에 따른 에너지

D. Temperature vs. heat (열) vs. work (일)

Temperature: 특정 물질을 이루고 있는 입자의 무질서한 운동을 나타내는 특성

Heat: 두 물체 사이의 온도 차이에 의한 에너지의 전달을 포함하는 개념, 열은 특정한 물체의 구성 요소가 아님

Work: 물체를 이동시키는데 작용한 힘 Heat는 에너지의 이동

에너지는 현재 상태에 의해서만 그 값 이 결정되지만, 열과 일은 상태의 변화 를 통해서만 알 수 있음

A의 potential energy 변화 = B의 potential energy 변화 + 마찰에 의한 heat

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E. Universe (우주) vs. system (계) vs. surrounding (주위)

System (계): 화학 반응이 일어나는 용기

Universe = surrounding + system

surrounding system

heat Surrounding (주위): 계를 제외한 우주의

모든 부분

open system closed system isolated system

F. Exothermic reaction (발열 반응)

열이 발생하는 반응, 에너지가 계로부터 방출

화학 결합에 저장 되었던 퍼텐셜 에너지가 열 에너지로 변화

G. Endothermic reaction (흡열 반응)

주위로부터 열을 흡수하는 반응

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Introduction to Thermodynamics

A. State of a system (계의 상태)

• 열역학(Thermodynamics): 열과 에너지 사이의 상호변환 관계를 연 구

• 계의 상태: 물질의 조성, 에너지, 온도, 압력, 부피와 같은 거시적 성 질의 값으로 정의

• 상태함수(State Function): 주어진 조건까지 도달한 과정에는 상관 없이 계의 상태에 의해서만 결정되는 성질 (에너지, 압력, 부피, 온 도)

B. Internal energy (내부 에너지)

Internal energy (E) = potential energy + kinetic energy

계를 이루고 있는 모든 입자의 운동 에너지와 퍼텐셜 에너지의 합

열과 일을 주위와 주고 받음으로써 계의 내부 에너지가 변화

열이 계로 유입 되면 (흡열 과정) q 는 양수.

주위가 계에 일을 해 주면 (에너지가 주위로부터 계로 이동) w 는 양수 열역학 제 1법칙

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Energy Change in Chemical Reactions

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계가 주위에 일을 해 주게 되면 일은 음의 값이고, 기체의 부피는 증가하기 때문에 V는 양의 값

주의) P는 외부의 압력 1 L·atm = 101.3 J

C. Work (일)

일: 물질의 운동 상태를 변화시킬 때 수반되는 에너지 변화

→ 기계적인 일, 전기적인 일, 표면 일 등

Example (6.1.)

→ 일과 열은 상태함수가 아니다

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Example (6.2.)

→ 일과 열은 상태함수가 아니지만 그 합인 내부에너지변화 (ΔE)는 경로에 의존 받지 않는다.

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Enthalpy

A. Enthalpy (엔탈피, H)

H ≡ E + PV E, P, V 모두 어떤 상태의 값으로 표현됨

→ 엔탈피도 어떤 상태의 값으로 표현됨 q_P: 일정한 압력하에서의 열의 양

일정한 압력하에서의 반응열=엔탈피의 변화

화학 반응에서 엔탈피 변화는 ∆H = H_생성물 – H_반응물

H_생성물> H_반응물 인 경우, ∆H > 0, 계는 열을 흡수, 반응은 흡열 반응 H_생성물< H_반응물 인 경우, ∆H < 0, 계는 열을 발생, 반응은 발열 반응

Cf. 일정 부피

Enthalpy

B. 열화학반응식 (Thermochemical Reaction)

열화학반응식 쓰는 방법 1. 물질의 상태 표시

2. 반응식의 계수 고려

3. 역반응 고려

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Example (6.3.)

ΔH and ΔE in Chemical Reactions

A. ∆H와 ∆E의 차이

→ 내부에너지의 일부가 기체 팽창 일에 사용

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Example (6.4.)

에너지의 본질

내부에너지 : 퍼텐셜 에너지 + 운동 에너지 내부에너지 변화 : 열 + 일

엔탈피와 열량계

엔탈피의 변화 : 일정한 압력 하에서는 반응열과 같음

Summary

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CHEMISTRY (Chapter 6‐2)

Thermochemistry(CH 6.5 – 6.7)

Tae Kyu Kim

Department of Chemistry Rm. 301 (tkkim@pusan.ac.kr)

http://plms.pusan.ac.kr

에너지의 본질

내부에너지 : 퍼텐셜 에너지 + 운동 에너지 내부에너지 변화 : 열 + 일

엔탈피와 열량계

엔탈피의 변화 : 일정한 압력 하에서는 반응열과 같음

Review (6.1-6.4)

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열계량법 ?

반응에서의 열변화를 열량계로 측정

Questions?

표준 생성 엔탈피란 무엇인가 ?

표준 상태에서 화합물을 이루고 있는 원소로부터 그 화 합물 1mol을 생성할 때 수반되는 엔탈피의 변화

헤스의 법칙이란 ?

엔탈피가 상태함수라는 성질을 이용하여 반응엔탈피 를 구하는 방법

Terminology

6.5 비열 : specific het 열용량 : heat capacity 열량계 : calorimeter 6.6

표준생성엔탈피 : standard formation enthalpy 6.7

용해열 : heat of solution

격자에너지 : lattice energy

수화열 : heat of hydration

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A. Calorimetry (열계량법)

열량계 (calorimeter): 화학반응에 관련된 열량 변화를 측정하는 장치 비열 (specific heat): 어떤 물질 1 g의 온도를 1°C 올리는 데 필요 한 에너지 [J/g·°C] 세기성질 (intensive property)

Calorimetry

열용량 (heat capacity): 일정한 양의 물질을 온도 1°C 올리는 데 필요한 에너지 [J/°C] 크 기성질 (extensive property)

Example 6.5.

몰열용량 (molar heat capacity): 어떤 물질 1몰의 물질을 온도 1°C 올

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일정부피열계량계 (bomb calorimeter) 일정압력열계량계

(constant‐pressure calorimeter)

Calorimetry

Example 6.6. & 6.7.

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Example 6.8.

Standard enthalpies of formation

A. Standard enthalpies of formation (표준 생성 엔탈피)

표준 상태에서 화합물을 이루고 있는 원소로부터 그 화합물1mol 을 생성할 때 수반되는 엔탈피의 변화

대부분의 열역학 함수의 절대값은 구하기 힘들기 때문에, 상대적 인 변화량만 측정 가능 => 기준의 되는 상태의 정의가 중요

∆H°_f

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예제) ^∆H^°f

(∵산소는 이미 표준상태의 원소)

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예제) ^∆H^°f

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예제) _∆H_°_f

예제)

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Hess’s law

A. Hess의 법칙

특정한 반응물에서 특정한 생성물이 만들어질 때,

반응이 한 단계로 이루어지거나 또는 여러 단계에 걸쳐 일어 남에 관계 없이 엔탈피 변화량은 같음

위 반응을 두 단계로 나누어 쓸 수 있으며,

Hess’s law

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Hess’s law

예제)

엔탈피 변화량?

Hess’s law

예제)

엔탈피 변화량?

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Example 6.9.

Lattice Energy & Heat of Hydration

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표준 생성 엔탈피

표준상태 기체의 압력: 1atm 표준상태 용액의 농도 : 1M

Summary

Hess의 법칙

엔탈피의 변화량 : 반응이 어떤 단계를 거쳐 일어나는가 하고는 관련 없음

SUMMARY (CHAPTER 6)

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