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화학 평형의 법칙이라는 것은 뭔가요?

안녕하세요. 원형석 과학전문가입니다.화학평형 상태에서는 정반응과 역반응의 속도가 같아 물질의 농도가 일정하게 유지됩니다.aA+bB↔cC+dD 에서 화학평형상수는K=[C]^c[D]^d/[A]^a[B]^b 로 나타낼 수 있습니다. 화학평형 상수는 온도가 일정할 경우 일정한 값을 가집니다.따라서 압력(부피), 농도 등의 변화를 가하면 평형상수 값을 일정하게 유지하기 위한 정반응 혹은 역반응이 일어나고 시간이 지나면 다시 평형상태가 됩니다.이렇게 압력, 농도의 변화에 따라 평형상수가 달라지는 이유는 평형상수가 농도의 n승(예 : [A]^a)으로 이루어져 있기 때문입니다. 예를들어 부피가 일정한 용기 안에 N_2 1기압, H_2가 2기압, NH_3가 1기압인 상태에서 화학평형을 이루고 있다고 가정하면N2＋3H2→2NH3 이 반응식에서의 계수를 참고할 때 화학평형상수 K는 2/1x2^3 = 1/4 입니다.이때 만약 H2 기체를 더 넣어주게 되면 화학 평형 상수가 작아집니다. 따라서 정반응이 어느정도 진행됨으로서 화학평형상수가 1/4이 유지되게됩니다.이때 정반응 속도가 역반응보다 우세해서 정반응이 일어나다가 점차 정반응 속도가 감소하고 역반응속도가 증가하여 정반응과 역반응의 속도가 같아지는 순간이 새로운 화학평형점 입니다.농도의 변화는 있지만 화학평형상수는 온도가 일정하게 유지되면 항상 일정합니다.*참고 : 반응속도 v = k[A]^a[B]^b 화학평형에서의 평형이동은 위에서 언급하였다시피 농도, 압력, 온도 크게 3가지가 있습니다.평형상태에 도달한 반응의 평형상태를 교란시키면 발생한 변화를 최소하하는 방향으로 반응이 진행되어 새로운 평형점에 도달하게 되는데 이를 르 샤틀리에의 원리(평형이동의법칙)라고 합니다. 1. 농도증감(특정물질을 투입, 제거 함으로써 물질의 농도를 변화시킴)일반적으로 평형상수가 크면 평형상태에서 생성물이 많이 존재한다는 뜻입니다.(분자에 생성물을 쓰기때문에)평형상태를 이루고 있는 화학반응에서 특정 물질을 투입한 직후의 농도를 평형상수식을 이용해 계산한 값을 반응지수 Q라고 합니다. 이 반응지수가 평형상수가 같아지는 방향으로 반응이 진행됩니다.이 반응지수 Q가 원래의 평형상수 K값보다 크면 역반응이 일어나고 Q<K이면 정반응이 일어납니다.K값이 일정하므로 분모 값 감소->분자 값 감소, 분모 값 증가->분자 값 증가의 형태가 되어야 하기 때문에반응물을 첨가하면 대개 정반응이, 반응물을 제거하면 역반응이 우세하게 일어납니다.(직관적으로 이해하면 반응물이 많아지면 원래보다 많아졌으니 줄이는 방향-정반응이 진행되면 반응물이 줄죠-으로 반응이 진행됩니다) 2. 압력증감(기체반응에서 적용됨. 용기 전체의 부피를 줄이거나 압력을 높히므로 반응에 참여하는 기체 전체의 부분압력이 바뀌게 됨)평형상태에서 압력을 증가 혹은 감소시키면 존재 기체의 전부의 압력이 달라집니다.K가 일정하므로(온도변화 없으니) 압력이 n배로 높아지거나 낮아질 때 [A] : [B] : [C] : [D]의 값은 모두 동일하게 n배 혹은 1/n배가 되므로 그 비가 일정하지만 화학평형상수 계산 시 각 물질의 계수까지 고려하여 계산하므로 압력을 증감시키면 당연히 평형이 깨집니다. 위의 N2＋3H2→2NH3 식을 예로 들자면 압력을 증가시키면 르 샤틀리에의 원리에 의해 변화를 최소화하는 방향으로 반응이 진행되므로 압력을 줄이고 싶어할 것입니다.따라서 정반응이 진행되어 전체 압력을 감소시키는 새로운 평형상태에 도달합니다.반대로 압력을 감소시키면 전체 압력을 증가시키는 역반응이 일시적으로 우세하게 진행됩니다. aA+bB↔cC+dD 에서 각 물질 앞의 계수를 가지고 생각하시면A의 a몰과 B b몰이 반응해 C c몰과 D d몰이 생성됩니다.(정반응)여기서 a+b>c+d 이면 정반응이 진행 될 때 전체 압력이 감소하고 a+b<c+d이면 전체 압력이 증가합니다.만약 a+b=c+d일 경우 압력을 증감시켜도 정반응 혹은 역반응이 일어나지 않을 것임을 알 수 있습니다. 3. 온도증감평형상수 K를 구하는 요소인 농도와 계수를 변화시키진 않지만 열역학적 평형을 위하여 온도 변화에 따른 최적의 에너지와 엔트로피가 균형이 잡힌 상태를 추구하므로 온도변화에 따라 평형상수 값의 변화가 뒤따릅니다.반응의 엔탈피(H) 값에 따라 온도 변화에 따른 반응 양상이 결정됩니다.직관적으로 이해하자면 aA+bB↔cC+dD 에서 정반응의 엔탈피가 H<0일때 정반응은 발열반응입니다.여기서 온도를 높혀줄 경우 변화를 최소화 하고 싶어하기 때문에 온도를 낮추려 하고 따라서 흡열반응인 역반응이 일시적으로 우세하게 일어납니다.반대로 온도를 낮춰주면 온도를 높히기 위해 정반응(발열반응)이 일어나고요.

학문 / 화학공학

23.05.23

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