안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
자연계가 변화할 때 작동하는 두 가지 근본적인 원리인 엔탈피와 엔트로피가 서로 경쟁하거나 협력하기 때문입니다. 화학 반응의 자발성을 판단할 때 이 두 요소를 반드시 함께 고려해야 하는 이유를 설명해 드릴게요.
자연계에서 에너지가 안정해지는 경향을 나타내는 지표가 엔탈피이고, 무질서하고 확률이 높은 상태로 가려는 경향을 나타내는 지표가 엔트로피입니다. 화학반응의 자발성을 판단할 때 이 두 요소를 모두 고려해야 하는 이유는, 어느 한쪽의 힘만으로는 자연계의 모든 변화를 설명할 수 없으며 두 경향성이 서로 경쟁하거나 보완하며 작동하기 때문입니다.
우선 엔탈피만을 기준으로 삼았을 때의 한계를 살펴보면, 물질은 일반적으로 에너지를 방출하여 더 낮고 안정한 상태가 되려는 성질이 있습니다. 따라서 열을 방출하는 발열 반응이 저절로 일어나는 경향이 강하지만, 자연계에는 열을 흡수하는 흡열 반응임에도 저절로 일어나는 현상이 수없이 존재합니다. 이러한 한계를 메워주는 것이 바로 엔트로피입니다. 자연계의 입자들은 좁은 공간에 질서정연하게 모여 있는 상태보다, 넓은 공간으로 흩어져 자유롭게 움직이는 상태를 선호합니다. 비록 열을 흡수해야 하는 흡열 반응이라 에너지 관점에서는 불리하더라도, 반응 결과 입자들이 흩어져 무질서도가 크게 증가한다면 이 무질서해지려는 확률적 경향이 에너지상의 불리함을 압도하여 반응을 저절로 진행시킵니다.
이처럼 엔탈피와 엔트로피는 각각 주위와 계에 미치는 영향력을 나타내므로, 반응의 자발성을 정확히 파악하기 위해서는 두 가지를 반드시 함께 고려해야 합니다.