15.2 평형 상수

15. 화학 평형 (chemical equilibrium)

15.1 평형의 개념

가역 반응과 평형의 개념을 안다.

15.2 평형 상수

정반응 속도와 역반응 속도에 기초한 평형 상수를 정의하고, 균일 반응에서 평형 상수식을 어떻게 나 타내는지를 배운다.

15.3 평형 상수의 이해와 적용

평형 상수의 크기를 해석하는 방법을 배우고, 화 학 반응식에서 평형 상수값의 의존도를 알아본다.

15.4 불균일 평형

불균일 반응을 평형 상수식으로 나타내는 방법을 배운다.

15.5 평형 상수의 계산

생성물과 반응물의 평형 농도로부터 평형 상수를 계산하는 법을 배운다.

15.6 평형 상수의 응용

평형 상수로부터 반응물과 생성물의 평형 농도를 예측하고, 반응 혼합물이 평형에 도달하기 위하여 반 응이 진행하는 방향을 결정하는 데 사용될 수 있음 을 안다.

15.7 Le Châtelier 원리

Le Châtelier 원리를 논하면서 농도, 부피, 압력, 온

목차

 화학 평형이 의미하는 것과 그것이 어떻게 반응 속도와 관련되는지 이해한다.

 반응에 대한 평형 상수식을 쓴다.

 K

와 K

간의 관계를 안다.

 평형 혼합물에서 반응물과 생성물의 상대적인 양을 평형 상수의 크기와 관련 짓는다.

 화학 반응식이 달라질 때 평형 상수가 어떻게 달라지는지 안다.

 불균일 반응에 대한 평형 상수식을 쓴다.

 농도를 측정하여 평형 상수를 계산한다.

 평형 상수와 주어진 반응물 및 생성물의 농도로부터 반응의 진행 방향을 예측한다.

 평형 상수가 주어지고 1가지 평형 농도가 주어질 때 평형 농도를 구할 수 있다.

 평형 상수와 초기 농도가 주어지면 평형 농도를 계산할 수 있다.

 평형 상태에서 농도, 부피, 또는 온도를 변화시킬 때 평형 위치가 어떻게 변하는지 이해한다.

학습 목표

15.1 평형의 개념

화학 평형 (chemical equilibrium) :

정반응과 역반응이 똑같은 속도로 일어나는 상태

평형 상태 (equilibrium state)

① 닫힌 계에서 가역 반응일 때 나타나는 결과

② 동적 평형 - 정반응과 역반응의 속도가 같아 겉보기 양은 변화 없음

③ 특정 온도에서 평형상태일 때 각 물질의 농도는 일정하게 유지된다.

평형의 개념

주어진 온도에서 평형 상태일 때 농도항과 속도 상수의 비율은 특정한 값이 된다 평형 상태일 때, 정반응에서 NO²의 생성 속도와 역반응에서 N²O⁴의 생성 속도가 같다

= 평형 상수

,

15.2 평형 상수 (equilibrium constant)

평형 조건은 양쪽 어느 방향으로부터도 도달할 수 있다.

평형 상수 (equilibrium constant)

평형 상수 Kc (equilibrium constant) :

질량 작용 법칙 (law of mass action) :

반응이 평형일 때 반응물과 생성물 농도 사이의 상관관계

평형 상수식은 반응의 화학량론에만 의존하고 반응 메커니즘과 무관하다.

,

평형 상수 식 :

몰농도

K ^c 계산하기

• 실험 1과 2와 3 : [NO²]의 초기 농도가 달라 도 오차 범위 내 Kc 값 일정

→ 평형 상수가 초기 농도에 의존하지 않음

• 실험 1과 4 : [N²O⁴]로 시작해도 평형 도달

→ 평형은 어느 쪽에서든 접근 가능

: 실험 1

,

압력으로 나타낸 평형상수 K ^p

반응물과 생성물이 기체일 경우 몰농도 대신 기압의 단위로 부분압력을 사용 하여 구한 평형 상수, 일반적으로 같은 반응에서 K^c와 K^p는 다르다.

이상 기체식 를 사용한 K^c와 K^p의 상호변환

,

∴

15.3 평형 상수의 이해와 적용

평형에서는 정반응과 역반응의 반응 속도가 같은 것이지 농도가 같 은 것은 아니다.

화학 반응식의 방향과 K

한 쪽 방향으로 나타낸 반응의 평형 상수식은 역방향으로 나타낸 반 응에 대한 식의 역이다.

, ,

Ex) 에서

평형 상수의 값은 그 상수와 관련된 균형 맞춘 화학 반응

식과 온도가 명시되어야 의미를 가진다.

화학 반응식 화학량론과 평형상수 연관시키기

Ex) 식 의 양변에 2를 곱하면

Ex) 의 평형상수

,

화학 반응식 화학량론과 평형상수 연관시키기

15.4 불균일 평형

• 균일 평형 (homogeneous equilibrium) : 평형 물질들이 같은 상으로 존재

① 불균일 평형에 순수한 고체나 액체가 포함될 경우 평형 상수 식에는 이들의 농도가 포함되지 않는다.

∵ 순수한 고체나 액체의 농도는 일정한 값을 가진다.

② 용매가 반응물이나 생성물로 포함될 경우 순수한 상태로 간주되어 평형 상수 식에서 제외된다.

Ex)

• 불균일 평형 (heterogeneous equilibrium) :

평형 물질들이 다른 상으로 존재하여 두가지 이상의 상이 존재한다.

불균일 평형

15.5 평형 상수의 계산

15.6 평형 상수의 응용

평형 상수

① 반응 혼합물이 평형에 도달하기 위한 진행 방향 예측

② 평형에 도달했을 때 반응물과 생성물의 농도를 계산

반응 방향의 예측

반응 지수 Q (reaction quotient) :

평형 상수 K는 평형 상수식에 평형 농도만을 대입하여 각 온도당 하나의 값을 갖지만, 반응 지수 Q는 반응의 현재 시점에서 물질들의 농도를 평형 상수식에 대입하여 구하므로 반응이 진행됨에 따라 여러 값을 가진다.

, *

* Kc 에서와 마찬가지로 몰농도를 사용했기 때문에 아래 첨자 c가 붙으며 부분압력을 사용할 경우 Qp로 나타낸다.

반응 방향의 예측

반응이 평형에 도달하기 위하여 진행해야 할 방향은 Q 값과 K 값을 비교하면 알 수 있다.

• Q＝K : 계가 평형에 도달한 상태

• Q>K : 생성물의 농도가 반응물의 농도보 다 크므로 오른쪽에서 왼쪽으로 진행하여 평형에 접근한다.

• Q<K : 생성물의 농도가 반응물의 농도보 다 작으므로 반응은 왼쪽에서 오른쪽으로 진행한다.

15.7 Le Châtelier 원리

평형계가 온도, 압력, 성분의 농도 변화에 의한 방해를 받으면 그 요인을 최소화 하는 방향으로 평형이 이동한다.

평형이 방해 받는 세가지 경우

① 반응물 또는 생성물을 가하거나 제거할 때

② 부피 변화를 통한 압력 변화

③ 온도의 변화

에 대해 평형계의 변화를 예측하기 위해 Le Châtelier 원리를 사용한다.

반응물 또는 생성물의 농도 변화

어떤 물질의 농도가 증가하면 그 물질이 소모되는 방향으로, 농도가 감 소하면 물질이 생성되는 방향으로 반응한다. 이때 K는 일정하다.

부피와 압력 변화의 효과

기체 평형 혼합물 부피를 감소시키면 압력이 증가하므로, 계는 압력을 줄이기 위해 기체의 몰수를 감소시키는 방향으로 이동한다.

* 반응 용기 내 압력은 평형에 관여하지 않는 기체를 가하여 증가시킬 수 있다.

반응하는 성분들의 부분압력을 변화시키기 않기 때문이다.

온도가 일정하면 압력-부피 변화는 K값을 변화시키지 않는다.

온도 변화 효과

온도를 증가시키면,

① 흡열 반응에서 평형계는 반응물이 더해진 것,

② 발열 반응에서 평형계는 생성물이 더해진 것 처럼 반응한다.

평형은 과량의 열을 소모하는 방향으로 일어난다.

K는 온도에 따라 값이 변한다

, 온도↑→ K값↑

, 온도↑→ K값↓

온도 변화 효과

촉매 효과

촉매는 Ea를 감소시키므로 정반응과 역반응 모두의 속도를 증가시킨다.

∴ 평형에 도달하는 속도는 증가하지만, 평형 혼합물의 조성은 변하지 않는다.

끝