안녕하세요! @aksen 입니다. 화학 포스팅으로는 오랫만에 뵙는거 같네요! 더욱 열심히 할 수 있도록 노력하겠습니다.

오늘 포스팅 해볼 주제는 바로 평형 입니다.
저번 포스팅에서도 평형에 대한 언급이 있었는데요, 그럼 대체 화학에서 말하는 평형이란 무엇일까요?

1. 평형이란?

평형이란 말뜻이 균형이 맞춰진. 이런 뜻이죠? 화학에서도 별반 다르지 않습니다.

우선 화학에는 2가지 반응이 있습니다. 바로 가역적 반응과 비가역적 반응이죠. 가역적 반응은 이 반응이 진행됬다가도 다시 원래대로 돌아올 수 있는 반응이고 비가역적 반응이랑 한번 반응이 진행되면 다시는 돌아오지 않는 반응입니다.

물론 비가역적 반응도 높은 온도나 압력에서 원래대로 돌아오긴 하지만 가역적 반응과는 약간 느낌이 다르죠.

우리는 가역적인 반응에서 평형을 얘기합니다. 평형이란 가역적 반응에서 반응물과 생성물이 더이상 없어지거나 생성되지 않는 것처럼 보이는 상태, 즉 정반응의 속도와 역반응의 속도가 같응 상태를 말합니다.

그렇다면 우리는 어떻게 평형을 예측할 수 있을까요? 즉, 이 반응이 정반응이 우세해야 평형에 도달하는지, 역반응이 우세해야 평형에 도달하는지 어떻게 알 수 있을까요? 이것을 예측할 수 있게 해주는 것이 바로 깁스의 자유에너지입니다.

2. 깁스의 자유에너지

깁스의 자유에너지, (이하 자유에너지) 는 무엇일까요? 먼저 정의를 알아보도록 합시다.

🛆G=🛆H-T🛆S

여기서 G가 바로 자유에너지입니다. (🛆는 변화량을 뜻합니다)

🛆G가 양수일때 반응은 역반응이 우세하게 일어나고, 음수일때 정반응이 우세하게 일어납니다. 🛆G가 0일때 평형에 도달한 상태겠지요?

이제 H,T,S가 뭔지 알아야겠죠? H는 엔탈피, T는 절대온도, S는 엔트로피를 뜻합니다. 차근차근 알아버도록 하죠.

엔탈피란?

엔탈피란 계의 내부에너지를 말합니다. 엔탈피는 절대값을 알 수 없기 때문에 주로 엔탈피의 변화량을 구합니다.

어떤 반응이 진행됬을때 열이 발생했다고 해봅시다. (이런 반응을 발열반응이라고 하죠)
이 열은 어디서 나왔을까요? 바로 계의 내부에너지가 열로 바뀌어서 나온 것입니다. 즉 반응물의 내부에너지와 생성물의 내부에너지의 차이만큼 열에너지가 발생한 것이지요.

이러한 상황에서는 엔탈피의 변화량, 즉, 🛆H가 음수입니다. 열 에너지가 발생하려면 내부에너지가 줄어들어야 하기 때문이죠. 반대로 열을 흡수하며 일어나는 흡열반응의 경우 내부에너지가 증가하기때문에 🛆H가 양수입니다.

절대온도란?

절대온도는 섭씨온도나 화씨온도와 같은 온도의 단위입니다.
섭씨온도에서 0도가 물의 어는 점이라면 절대온도에서 0도는 기체의 부피가 0이되는 가상의 온도입니다.

기체는 온도가 내려갈수록 부피가 줄어들기 때문에 기체의 부피가 0일때를 절대온도 0도라고 한 것이죠.

이때 기체의 부피는 0보다 작아질수 없기때문에 온도또한 절대온도 0도보다 작아질 수 없습니다. 절대0도가 세상에서 가장 낮은 온도인 것이지요.

또한 절대온도의 간격은 섭씨온도와 같습니다. 즉, 섭씨온도가 10도 올라간다면 절대온도 또한 10도 올라간다는 뜻이지요.
절대온도와 섭씨온도의 차이는 273.15도, 약 273도 정도입니다. 섭씨 0도일때 절대온도 273도, 섭씨 10도일 때 절대온도 283도가 되는 것이지요.

엔트로피

엔트로피는 무질서도의 정도입니다.
엔트로피 역시 반응 전후의 변화량을 가지고 얘기하는데요, 이유는 엔트로피의 절대값을 구하기 어렵기 때문입니다.(엔탈피와는 다르게 수학적으로 절대값을 계산해낼 수는 있습니다)

정돈된 방과 어질러진 방을 비교하면 어질러진 방의 엔트로피가 더 큰 상태인 것이지요.

엔트로피는 주로 온도가 올라가거나, 부피가 커지거나, 물질의 수가 많아지면 증가합니다.

아무래도 좁은 방에(부피가 작은) 공 하나가(물질의 수가 적은) 천천히 움직이는(온도가 낮은)상황보다는 넓은 방에(부피가 큰) 공 100개가(물질의 수가 많은) 빠르게 이리저리 움직이는(온도가 높은) 상황이 더 어질러져 있을 확률이 높겠지요?

왜 🛆G=🛆H-T🛆S 인가?

왜 이식은 이렇게 되있을까요?

먼저 🛆H 에 대해 봅시다. 흡열반응과 발열반응중 누가 더 일어나기 쉬울까요? 답은 발열반응입니다.

흡열반응은 에너지를 공급받아야만 일어날 수 있는데 발열반응은 아무런 제약없이 자기의 내부에너지를 소비하여 열을 발생시키면 되기 때문이죠.

발열반응일때 🛆H가 음수인데 정반응이 잘 일어나는 상황이니 🛆G도 음수여야겠군요.
이것이 🛆H 앞에 - 가 안붙은 이유입니다.

다음은 T🛆S에 대해 봅시다. 왜 엔트로피의 변화량에 절대온도가 곱해져 있을까요?

이유는 온도가 높을 수록 엔트로피를 변화시키기 어렵기때문입니다.
다르게 말하자면 같은 엔트로피 변화라면 더 높은 온도일때가 더 어렵다는 거죠.

예를 들어 정돈된 방과 반쯤 어지럽혀진 방이 있습니다. 이때 정돈된 방을 반쯤 어지럽힐 때와 이미 반쯤 어질럽혀진 방을 완전히 어지럽히는 상황을 비교해 봅시다.
초기 상태만 다르고 엔트로피 변화량은 같은 상태를 비교하자는 겁니다.

정돈된 방은 팔 한번만 휘두르면 한 절반쯤 어질러집니다. 그에 비해 이미 반쯤 어질러진 방은 난리법석을 떨어야 비로소 완전히 어질럽혀지죠.

정돈된 방은 온도가 낮을 때고 반쯤 어질러진 방은 온도가 높을 때입니다.
같은 엔트로피 변화라도 온도가 높을수록 더 힘들다는 것이죠.

그럼 T🛆S 앞에 왜 - 가 붙었을까요?
엔트로피는 항상 커지는 반응이 우세합니다. 정리정돈을 하는 것보단 어질르는게 더 쉽다는 것이죠. 그에 비해 🛆G가 음수일때가 정반응이 우세할 때입니다. 따라서 방향을 맞추기 위해 -를 붙인 것이죠.

설명이 길었네요! 평형이 어떻게 될지 예측하는 방법을 알아보았으니 이제 평형반응이 우리 생활에 어떻게 쓰이고 있는지 알아보도록 하죠.

3. 손난로와 에어백

손난로와 에어백은 모두 정반응이 우세한 반응입니다. 하지만 그 이유가 서로 다릅니다.

먼저 손난로부터 보죠. 손난로의 딱딱이를 꺽거나 흔들면 열이 나죠? 즉 발열반응 입니다. 그에비해 엔트로피 변화는 크지 않습니다.

따라서 🛆H가 음수인 것이 크게 작용하여 🛆G를 음수로 만들고, 정반응이 우세하게 되어 열이 발생하는 것이죠.

그에 비해 에어백은 어떨까요? 에어백의 반응식을 보죠.

위 식을 보면 반응물에선 기체가 전혀 없었는데 생성물에선 기체가 생성됩니다.
고체와 기체의 엔트로피는 천지차이기 때문에 엔탈피변화가 어떻게 될진 몰라도 T🛆S의 영향으로 🛆G가 음수가 되어 정반응이 우세하게 진행됩니다.

따라소 기체가 폭발적으로 생성되어 에어백이 부풀게 되죠.

자, 지금까지 평형과 자유에너지, 그리고 우리생활에 예시까지 살펴봣는데요, 자유에너지 부분이 식이 많아서 약간 복잡해 보이네요 ㅠㅠ 그럼 전 다음 포스팅에서 찾아뵙겠습니다!

위 글에 사진은 모두 구글 이미지에서 퍼왔습니다.