왜 어떤 반응은 저절로 일어나고, 어떤 반응은 가열해야 할까요?

Question

안녕하세요. 반응의 자발성 관련하여 질문이 있습니다. 왜 어떤 반응은 저절로 일어나고, 어떤 반응은 가열해야 하는지 궁금합니다. 철은 자연스럽게 녹슬지만, 물은 저절로 수소와 산소로 분해되지 않습니다. 두 반응의 차이는 무엇인지, 깁스 자유에너지와 활성화 에너지는 어떤 역할을 하는지 알고 싶습니다.

Answer 1

안녕하세요.

어떤 반응이 저절로 일어나는지는 깁스 자유에너지가 결정하고, 실제로 얼마나 쉽게 일어나는지는 활성화 에너지가 결정합니다. 우선 화학에서 반응이 저절로 일어난다는 말은, 외부에서 지속적인 에너지를 공급하지 않아도 반응이 진행되는 방향이 열역학적으로 유리하다는 뜻이며 이 판단 기준이 바로 깁스 자유에너지 변화입니다. 이때 깁스 자유에너지는 단순히 에너지의 많고 적음이 아니라, (엔탈피 변화 − 온도 × 엔트로피 변화)로 정의되는데요 즉, 반응이 일어나면서 에너지가 얼마나 방출 및 흡수되는지와, 무질서도가 얼마나 증가하는지를 함께 고려한 값입니다.

질문해주신 철이 산소와 반응해 산화철로 변하는 반응은, 전체적으로 보면 에너지를 방출하고, 고체 철과 기체 산소가 더 안정한 고체 산화물로 바뀌는 과정입니다. 비록 기체가 줄어들어 엔트로피 증가가 크지는 않지만, 엔탈피 감소가 매우 커서 결과적으로 자유에너지가 음수가 됩니다. 그래서 철은 시간이 지나면 자연스럽게 녹스는 방향으로 가는 것이며 이는 열역학적으로 그 상태가 더 안정하기 때문입니다. 반대로 물이 저절로 수소와 산소로 분해되지 않는 이유를 보면 물이 수소와 산소로 분해되는 반응은 강한 O–H 결합을 끊어야 하며, 이는 많은 에너지를 흡수하는 과정입니다. 엔트로피는 증가하지만, 상온에서는 TΔS 항으로 이를 상쇄하기에 부족한데요 따라서 이 반응의 자유에너지는 양수이고, 열역학적으로 비자발적입니다. 그래서 물은 가만히 두면 분해되지 않고, 전기분해나 고온 같은 외부 에너지가 반드시 필요한 것입니다.

반면에 자유에너지 변화량이 음수임에도 잘 일어나지 않는 경우가 있는데요, 활성화 에너지는 반응이 시작되기 위해 반응물 분자가 반드시 넘어야 하는 에너지 장벽입니다. 아무리 반응 후의 상태가 더 안정하더라도, 그 상태로 가기 위해 잠깐이라도 불안정한 전이 상태를 거쳐야 합니다. 이 장벽이 높으면, 반응은 가능은 하지만 매우 느리게 진행되며 철의 녹슴이 순식간에 폭발하지 않고, 수개월~수년에 걸쳐 서서히 일어나는 이유도 바로 이 활성화 에너지가 존재하기 때문입니다. 감사합니다.