5-1-1. 발열 반응과 흡열 반응
1. 반응열/엔탈피/엔탈피 변화/발열 반응과 흡열 반응/
화학 반응이 일어날 때는
반드시 에너지 출입이 뒤따르게 됩니다.
이러한 출입 에너지가
반응계에 미치는 영향에 대하여 공부해 봅시다.
1. 반응열
(1) 엔탈피(H)
물질이 갖고 있는 총 에너지 함량이 엔탈피인데,
예를 들면, 물 분자(H2O)의 엔탈피는 분자를 구성하는 원자들의
핵 에너지, 전자가 갖는 운동 에너지, 원자 간의 공유 결합 에너지,
물 분자의 병진 운동 에너지, 진동 운동 에너지, 회전 운동 에너지 등의
모든 에너지를 합한 결과입니다.
그런데, 물질의 엔탈피를 일일이 재는 것은 사실상 불가능하고
또 그럴 필요도 없습니다.
왜냐하면 화학 반응이 일어날 때 관심이 있는 것은
반응 전후에 흡수 또는 방출된 에너지의 양이지
물질 자체의 에너지 함량이 아니거든요.
그래서 사람들은 엔탈피 변화를 측정하는 겁니다.
(2) 엔탈피 변화
반응에 따른 엔탈피 변화는 위와 같이 계산합니다.
반응열은 화학 반응이 일어나기 전후의 반응물과 생성물 간의 위치 에너지 차이
-즉, 에너지 함량의 변화-를 일컫습니다.
위 그림에서 발열 반응과 흡열 반응의 차이를 알 수 있습니다.
(3) 발열 반응과 흡열 반응
발열 반응은 그림에서 생성물의 위치 에너지가 낮아져
그 차이만큼의 에너지를 방출하는 반응을 말합니다.
-물레방아가 도는 내력이 바로 물의 위치 에너지가 낮아지면서 운동 에너지로
방출되는 것을 이용한 것이니 이것도 일종의 발열 반응이라 볼 수 있겠다-
말하자면 반응하고 난 뒤에 남는 에너지를 버리는 것이죠.
이 때 방출하는 에너지가 열로 나타나면 반응계의 온도가 올라가게 되겠죠.
물론 반응 뒤에 그대로 내버려 두면
올라갔던 온도가 다시 실온으로 돌아가 열 평형을 이룹니다.
흡열 반응은 생성물의 위치 에너지가 더 높아지는 것이므로
반응계로부터 그만한 에너지를 흡수하게 됩니다.
따라서 에너지를 빼앗긴 반응계의 온도는 내려가게 되는 겁니다.
한편, 이 때 흡수한 에너지는 생성물이 결합하는 데 쓰입니다.
어떤 반응을 나타낼 때 물질의 상태와
들고 나는 에너지의 양까지도 나타낸 식을 뜻합니다.
상태를 표시할 때 기체(gas)를 (g), 액체(liquid)는 (l), 고체(solid)는 (s),
수용액(aqueous solution)은 (aq)로 나타냅니다.
N2(g) + 3H2(g) ---> 2NH3(g) + 22kcal
위 열화학 반응식에서 암모니아(NH3) 기체 2몰이 합성될 때
22kcal의 열이 방출된다는 것을 알 수 있습니다.
따라서 열화학 반응식을 알면 비례식을 이용해 반응열을 계산할 수 있습니다.
(예) 위 반응식에서 질소 14g, 수소 6g을 완전히 반응시켰다면
발생하는 열량은 얼마인가?(질소의 원자량 = 14, 수소의 원자량 = 1)
[풀이] N2의 분자량이 28, H2의 분자량이 2이므로 각 분자의 몰수는
질소가 0.5몰, 수소가 3몰이다.
반응 몰수비는 반응식의 계수비와 같으므로
0.5몰의 질소와 반응하는 수소는 1.5몰이고 1몰의 암모니아가 생긴다.
따라서 발생하는 열량은 11kcal이다.