공통 과학 - 2.1 반응열
1. 발열 반응과 흡열 반응/총열량 불변의 법칙
물질의 상태가 변하거나 반응이 일어날 때는 에너지 출입이 따릅니다.
이제부터 배울 내용은 반응에 따른 에너지 변화와 연료의 연소 반응에
관한 것입니다.
1. 발열 반응과 흡열 반응
(1) 엔탈피 변화(DH)
엔탈피는 물질이 갖고 있는 총 에너지 함량을 말하는데,
화학에서는 상태가 변하거나 반응을 할 때 그 전후에 변하는
엔탈피의 차이에 관심이 있습니다.
엔탈피 변화는 다음과 같이 정의합니다.
DH = H생성물 - H반응물
우리가 수직선 상에서 이동 거리를 잴 때 나중의 위치 좌표에서
처음의 위치 좌표를 빼듯이,
반응의 생성물이 갖는 에너지 함량(H생성물)에서
반응물의 에너지 함량(H반응물)을 뺀 것으로
엔탈피 변화를 나타내는 것이죠.
화학에서는 반응식을 나타낼 때, 늘 왼쪽을 반응물,
오른쪽을 생성물로 약속합니다.
위의 그림에서 A --> B 반응은 물질의 에너지 함량이 낮아지면서
20kJ의 열을 반응계에 내놓는 발열 반응이며,
이 때의 열로 반응계의 온도가 올라갑니다.
물론 그대로 한참 놔두면 그 열이 식어서 실온으로 돌아오겠죠.
이 반응의 엔탈피 변화는 DH = 80 - 100 = -20kJ 입니다.
조심할 것은 A --> B + 20kJ 와 같이 발열 반응의
엔탈피 변화 DH 의 부호가 음(-)이라는 점입니다.
A --> C 반응에서 생성물의 에너지 함량이
반응물의 에너지 함량보다 많으므로
모자라는 에너지를 반응계로부터 흡수해야 합니다.
이 때 흡수된 에너지는 물질을 만들고 깨뜨리는 데 쓰이므로
반응계의 온도는 내려갑니다.
A --> C -20kJ 반응식은 A --> C, DH = +20kJ 로 표시할 수도 있습니다.
(2) 총열량 불변의 법칙(헤스의 법칙)
화학 변화가 일어나는 동안에 발생하거나 흡수한 열량은
반응 전후의 물질의 종류와 상태가 결정되면
경로에 관계 없이 늘 일정하다는 법칙입니다.
여러분들은 에너지 보존 법칙이라는 말은 들은 적이 있나요?
헤스의 법칙도 에너지 보존 법칙의 한 가지라고 생각하면 됩니다.
그림과 같이 A 위치에서 공이 자유 낙하한다고 하고,
B와 C 점에서 위치 에너지, 운동 에너지 관계는 다음과 같습니다.
(위치 에너지 A) = (위치 에너지 B) + (운동 에너지 B)
= (운동 에너지 C) = (일정)
즉, 공의 위치에 관계 없이
총 에너지의 합이 일정하게 보존된다는 것이죠.
2H2(g) + O2(g) --> 2H2O(g) + 115.6kcal ... (ㄱ)
2H2(g) + O2(g) --> 2H2O(l) + 136.6kcal ... (ㄴ)
위의 반응식은 모두 수소와 산소로부터
H2O를 합성하는 반응식인데
발열량에서 차이가 나는 이유는 H2O(l)와 H2O(g)의 차이,
즉 물이냐 수증기냐 하는 상태의 차이에서 비롯되는 것이며
(ㄱ), (ㄴ)으로부터 물의 기화열도
헤스의 법칙을 이용해 구할 수 있습니다.
(ㄱ) - (ㄴ) : --> 2H2O(g) - 2H2O(l) -21 kcal
- 2H2O(l)를 좌변으로 이항하면 : 2H2O(l) --> 2H2O(g) -21kcal
물의 기화는 H2O(l) --> H2O(g) 이므로
양변을 2로 나누면 : H2O(l) --> H2O(g) - 10.5kcal
(예) 다음 열화학 반응식을 보고 발열, 흡열과 A --> C 반응의 열량을 계산하여라.
(1) A --> B +10kcal
(2) B --> C -30kcal
{풀이} (1)은 발열 반응, (2)는 흡열 반응이고,
'(1)식 + (2)식'하면 B가 소거되어
A --> C -20kcal 이므로 20kcal를 흡수하는(흡열) 반응이다.
물질이 연소하는 것은 물질이 산소와 화합하는 것으로서,
이 과정에서 열과 빛이 생기는데
이것을 우리는 연료로써 실생활에 이용합니다.
우리가 주로 쓰는 연료는 화석 연료인 석탄, 석유가 주종을 이루고 있지요.
석탄과 석유는 주로 탄소와 수소로 이루어져 있으므로
태우면 이산화탄소와 물이 생기지만,
마그네슘이나 철을 태우면 산화마그네슘과 산화철이 됩니다.
연소가 계속되려면 연료 공급, 산소 공급, 발화점 이상의 온도와 같은
세 가지 조건이 필요한데 이것을 불의 삼각형이라고 하며,
이 중 어느 한 가지라도 만족하지 못하면 불이 꺼집니다.
발화점 : 연료가 연소될 만큼 충분한 양의 증기를 가진 가장 낮은 온도