6 장 에너지와 화학반응 에너지의 본질 에너지의 보존 열용량 에너지와 엔탈피 열화학적 표현 화학반응의 엔탈피 변화 결합에너지 6 장 에너지와 화학반응 에너지의 본질 에너지의 보존 열용량 에너지와 엔탈피 열화학적 표현 화학반응의 엔탈피 변화 결합에너지 열계량법 Hess의 법칙 표준 몰 생성엔탈피

에너지의 특성 에너지 (E) : 일을 할 수 있는 능력. 일 (w)은 물체가 어떤 힘에 저항하여 움직일 때 발생한다. w = −(저항하는 힘) x (움직인 거리) w = −F x d 에너지는 운동(Kinetic)에너지이거나 위치(Potential)에너지이다.

운동에너지 운동에너지 (Ek): 운동에 따른 에너지 마크로스케일 = 역학적 에너지 무질서한 나노스케일 = 열에너지 주기적 나노스케일 = 음향에너지 Ek = ½mv2 (m = 질량, v = 물체의 속도)

위치에너지 위치에너지 (Ep): 위치에 따른 저장된 에너지 발생 유형: 중력: Ep = m g h 서로 떨어져 있는 전하 결합에너지 KQ1Q2 d Eel = k = 8.99 x 109 J-m/C2

에너지 단위 joule (J) - SI 단위 (1 J = 1 kg m2s-2) 1.0 m/s (~2 mph)의 속도로 움직이는 질량 2.0 kg 의 물체: Ek = ½ mv2 = ½ (2.0 kg)(1.0 m/s)2 = 1.0 kg m2 s-2 = 1.0 J J 은 상대적으로 작은 에너지 단위. 화학에서 보다 일반적인 단위는 kJ (1000 J)이다.

에너지 단위 칼로리 (cal) 유래: “물 1g을 14.5 에서 15.5 °C 높이는데 필요한 에너지” 현재 : 1 cal = 4.184 J (정확하게) 식품 칼로리 (Cal) - 대문자 C 사용 식품에 사용 1 Cal = 1000 cal = 1 kcal

에너지 보존 “에너지는 창조되지도 소멸되지도 않는다”. 단지 형태가 바뀔 뿐이다. 우주의 총에너지는 일정하다. “에너지는 창조되지도 소멸되지도 않는다”. 단지 형태가 바뀔 뿐이다. 우주의 총에너지는 일정하다. 이것을 또한 열역학 제1법칙이라고도 부른다.

에너지 단위 다이빙: 마크로스케일 위치에 기인한 Ep 를 갖는다. Ep 는 마크로스케일 Ek로 변환된다. Ek,macro 는 Ek,nano (물의 운동, 열)로 변환된다.

에너지와 일 물체의 저항하는 힘에 맞서 움직이면, 일을 한다. 책을 들어 올린다. 중력에 대항하여 일을 한다. 책의 Ep 는 증가한다. 책을 떨어뜨리면: Ep 는 Ek로 변환된다. 책은 공기를 밀어내며 일을 한다. 책이 바닥을 친다. 바닥에는 어떤 일도 하지 않는다. (바닥은 움직이지 않는다.) Ek 는 음파로 바뀌고, 책과 바닥의 온도는 증가한다 (Ek는 열로 바뀐다).

에너지와 일 화학반응에서, 팽창하거나 수축할 때는 항상 일이 발생한다. 팽창은 주위의 공기를 밀어내다. 풍선을 가열하면 : 기체가 데워진다. 기체가 팽창하고 풍선이 부풀어 오른다. 기체는 고무를 늘이고 풍선 주위의 공기를 밀어낸다.

에너지, 온도, 열 온도는 시료의 열에너지를 측정한 것이다. 열에너지 원자, 분자, 이온들 운동 에너지 모든 물질의 원자들은 항상 운동하고 있다. 높은 T = 빠른 운동

에너지, 온도, 열 온도계를 살펴보자. 온도가 증가하면 : 원자들은 더 빨리 움직인다. 평균적으로 더 멀리 떨어져 있다. 시료의 부피 증가. 액체 기둥의 길이가 증가한다.

에너지, 온도, 열 열 온도 차이에 의하여 열에너지 전이가 유발된다. 열은 뜨거운 데서 차가운 데로 흐른다. 열 평형(똑같은 온도를 갖는다).

계, 주위, 내부에너지 계(System): 관심의 대상이 되는 우주의 한 부분 플라스크 안의 화학물질. 내 교과서. 주위(Surroundings): 우주의 나머지 전체 플라스크 또는 플라스크와 실험실 또는 플라스크와 전체 건물, 등등 우주 = 계 + 주위

계, 주위, 내부에너지 내부에너지: 나노 수준 단위의 위치와 운동에 의한 계 내부의 에너지 E내부= 모든 나노스케일의 Ek 와 Ep의 합 나노스케일 Ek = 열에너지 나노스케일 Ep 이온/이온 인력 또는 반발력에 의한 핵/전자 인력에 의한 양성자/양성자 반발력에 의한

계, 주위, 내부에너지 내부에너지는 다음에 의존 온도 더 높은 T = 더 큰 Ek 물질의 형태 나노스케일 Ep 는 입자의 형태에 의존 물질의 양 입자의 수 시료의 크기가 2배가 되면 내부에너지도 2배가 됨

열역학적 변화의 계산 에너지 변화 = 최종 E – 초기 E ΔE = E최종 – E초기 계는 에너지를 얻거나 잃음 E out

열역학적 변화의 계산 첨자가 없다? 계를 언급: E = E계 E 는 열이나 일로 전이될 수 있다. 에너지 보존: ΔE = q + w 열 일 주목: q 와 w 모두 같은 부호 규약을 사용

열용량 열용량: 어떤 물체의 온도를 1°C 올리는데 필요한 에너지. 물질마다 다르다. 비열 (c): 어떤 물질 1 g 을 1°C올리는데 필요한 에너지 몰열용량 (cm): 어떤 물질 1 몰을 1°C올리는데 필요한 에너지 열 = 질량 x비열 x ΔT q = m c ΔT 또는 열 = 몰 x 몰열용량 x ΔT q = n cm ΔT

열용량 물질 c (J g-1 °C-1) cm (J mol-1 °C-1) Elements C (graphite) 0.720 8.65 Al(s) 0.902 24.3 Fe(s) 0.451 25.1 Cu(s) 0.385 24.4 Au(s) 0.129 25.4 Compounds NH3(ℓ) 4.70 80.1 H2O(ℓ) 4.184 75.3 H2O(s) 2.06 37.1 CCl4(ℓ) 0.861 132. CCl2F2(ℓ) 0.598 72.3 Common solids wood 1.76 concrete 0.88 glass 0.84 granite 0.79

열용량 500.0 g 의 철을 22°C 에서 55°C까지 올리는데 필요한 에너지는? cFe = 0.451 J g-1 °C-1 필요한 열 q = m c ΔT q = 500.0 g (0.451 J g-1 °C-1)(55−22)°C q = 7442 J = +7.4 kJ + 부호: E 가 계(철)에 첨가된다

열용량 505.0°C, 215 g 의 구리 조각을 1.000 kg 의 물(T = 23.4 °C)에 담갔다. 물과 구리 조각이 평형에 도달했을 때의 최종 온도는? (cCu = 0.385 J g-1 °C-1) q = m c ΔT qCu = (215. g)(0.385 J g-1 °C-1)(T최종− 505.0) qH2O = (1000. g)(4.184 J g-1 °C-1)(T최종− 23.4) qCu + qH2O = 0 (E 보존) qH2O = -qCu 4184(T최종– 23.4) = -82.78(T최종 – 505.0) (4184 + 82.78)T최종= 41804 + 97906 T최종= 32.7°C (주목: T최종 은 Thot 와 Tcold 사이에 있다)

에너지 보존과 상태의 변화 열이 계에 가해질 때 q 는 (+) 변화는 흡열(endothermic) 계로부터 제거될 때 열이 계에 가해질 때 q 는 (+) 변화는 흡열(endothermic) 계로부터 제거될 때 q 는 (-) 변화는 발열(exothermic) 물의 끓음: H2O(ℓ)  H2O(g) 흡열 수증기의 응축 : H2O(g)  H2O(ℓ) 발열 시료가 팽창하거나 수축하면 일이 발생. 전체적으로 ΔE = q + w

에너지 보존과 상태의 변화 액체가 45°C 에서 30°C로 냉각되고 911 J 의 에너지를 주위로 방출한다. 액체는 일을 하지도 받지도 않는다. 액체의 내부에너지 변화, ΔE액체는 얼마인가? ΔE액체 = q액체 + w액체 여기서 w액체 = 0 액체로부터 주위로 열이 이동한다. Q액체 = -911 J (q주위 = +911 J) ΔE액체 = -911J

에너지 보존과 상태의 변화 어떤 계가 주위에 50.2 J 의 일을 하고, 동시에 90.1 J 의 열이 주위로부터 계로 이동한다. 계의 내부에너지 변화, ΔE계는 얼마인가? 계가 주위에 한 일 : w계 = -50.2 J 주위로부터 계로 이동한 열: q계 = +90.1 J ΔE계 = q계 + w계 ΔE계 = -50.2 J +90.1 J = +39.9 J

엔탈피: 일정한 압력에서 이동한 열 ΔE = q + w 이므로 일정한 부피(V)에서: ΔE = qV 일은 저항하는 힘에 대항하여 운동할 때 발생한다. 일정 V : 움직임이 없음, 따라서 w = 0

일정한 압력(P)에서:ΔE = qP+ watm = - F x Δh = - PA x Δh = - PΔV 엔탈피 ΔH ≡ qp = ΔE + PΔV

얼음과 녹음 얼음(또는 용융)동안 물질은 에너지를 잃지만 (또는 얻지만) 온도는 일정하게 유지된다. 예: -50 -25 0 25 50 온도 (°C) 0 100 200 300 400 500 600 전달된 에너지(J) -50°C의 얼음이 0°C로 가열됨 얼음이 녹음. 온도는 0°C 로 유지됨 0°C 의 물이 50°C로 데워짐 예: -50°C 의 얼음 1 g 을 +50°C의 물로 변환

증발과 응축 용융 엔탈피(heat of fusion), ΔH용융 = qP = 고체의 용융열 변화 명칭 물에 대한 (J/g) 고체 → 액체 용융열 333 액체 → 기체 증발열 2260 액체 → 고체 응고열 −333 기체 → 액체 응축열 −2260 참고: ΔH용융 = − ΔH응고 q용융 = −q응고

상태함수는 경로에 무관 상태함수 H, E, P V, T 등.. 상태함수 계가 같은 상태에 있으면 항상 같은 값을 갖는 함수. 동일한 양의 물을 두 가지 서로 다른 경로로 생성: 20°C 의 물을 50°C로 가열. 100°C의 물을 50°C로 냉각. 두 경로 모두 최종 엔탈피는 같다. (부피, 압력, 에너지도 마찬가지…) 상태함수의 변화는 경로에 무관하다. ΔH = H최종 – H초기 은 일정

열화학적 표현식 ΔH = qP 를 균형화학 반응식에 추가. CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(g) ΔH° = −803.05 kJ CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(ℓ) ΔH° = −890.36 kJ ΔH° 는 표준엔탈피 변화 P = 1 기압 T 를 명시(명시되지 않으면 25°C 가정) ΔH° 은 1몰에 대한 값. 1 mol CH4 은 2 mol O2 와 반응하여 2 mol 물(액체)을 생성하고, 890 kJ의 열을 방출한다. 물리적 상태가 달라지면, ΔH°도 달라진다: H2O(ℓ) 와 H2O(g)

열화학적 표현식 테르밋 반응은 많은 열을 발생시킨다: 2 Al + Fe2O3 → Al2O3 + 2 Fe ΔH° = – 851.5 kJ 일정한 압력에서 10.0 g 의 Al 이 과량의 Fe2O3 와 반응할 때 얼마의 열이 방출되는가 ? nAl = 10.0 g / 26.982 g/mol = 0.3706 mol Al 2 Al ≡ 1 ΔH° = – 851.5. kJ qp = 0.3706 mol Al – 851.5 kJ 2 mol Al = –158 kJ

에너지는 어디에서 오는가? 결합엔탈피 (결합에너지) 분자 1몰의 결합 세기에 해당 항상 양의 값 결합을 끊으려면 에너지 필요 쪼개진 분자는 원래 분자보다 덜 안정하다. 덜 안정 = 더 높은 E 더 안정 = 더 낮은 E 결합이 생성될 때 항상 E 가 방출된다. 결합으로 생성된 분자는 결합하기 전보다 더 안정하다.

결합엔탈피 화학반응 동안: 결합이 끊어짐: E 흡수 (흡열) 결합이 생성됨: E 방출 (발열) 보통 둘 모두 함께 일어남: H2(g) + Cl2(g) 2 H(g) + 2 Cl(g) 2 HCl(g) 흡열 ΔH= +678 kJ/mol 발열 ΔH= -862 kJ/mol

결합엔탈피 전체적으로 열은 흡수되거나 또는 방출된다: 발열반응 (ΔH < 0) 흡열반응 (ΔH > 0) E 가 방출된다. 새로운 결합이 이전의 결합보다 더 안정하거나, 또는 끊어지는 결합보다 생성되는 결합이 더 많다 reactants products energy less stability 흡열반응 (ΔH > 0) E 가 흡수된다. 새로운 결합이 이전의 결합보다 덜 안정하거나, 또는 끊어지는 결합보다 생성되는 결합이 더 적다 reactants products energy less stability

엔탈피 변화의 측정 열의 이동은 열량계로 측정된다. 일반적인 열량계: 통(bomb)열량계 불꽃열량계 커피컵 열량계(일정 P). 단단한 철제 용기 O2(g)를 채우고, 소량의 시료를 연소 일정한 V, 따라서 qV = ΔE 불꽃열량계 시료를 불꽃 연소시킨다. 일정 P, 따라서 qp = ΔH 커피컵 열량계(일정 P).

엔탈피 변화의 측정 통열량계 물의 ΔT 측정. 일정 V: qV = ΔE E의 보존: q반응 + q통 + q물 = 0 Q통 = mcalccalΔT = CcalΔT unnumbered fig pg 203 열량계 상수

엔탈피 변화의 측정 옥탄(0.600 g) 을 751 g의 물이 들어있는 통열량계에서 연소시켰다. 온도가 22.15°C 에서 29.12°C로 증가하였다. 옥탄 1몰이 연소할 때 방출되는 열을 계산하시오. Ccal = 895 J°C-1. 2 C8H18(ℓ) + 25 O2(g) 16 CO2(g) + 18 H2O(ℓ) q반응 + q통 + q물 = 0 q통 = CcalΔT = 895 J°C-1 (29.12 – 22.15)°C = +6238 J q물 = m c ΔT = 751 g (4.184 J g-1 °C-1)(29.12 – 22.15)°C = +2.190 x 104 J

−q반응 = q통 + q물 −q반응 = +6238 J + 2.190 x 104 J = 2.81 x 104 J = 28.1 kJ q반응 = −28.1 kJ C8H18 의 몰질량= 114.23 g/mol. nC8H18 = (0.600 g) / (114.23 g/mol) = 0.00525 mol C8H18 방출된 열/mol 옥탄 = −28.1 kJ 0.00525 mol = −5.35 x 103 kJ/mol = −5.35 MJ/mol

엔탈피 변화의 측정 커피컵 열량계 스타이로 폼 컵을 포개서 주위로 열이 이동하는 것을 방지. 일정한 P에서 ΔT 를 측정. q = qp = ΔH 컵은 열을 흡수하지 않는다고 가정. (Ccal = 0 그리고 qcal = 0)

엔탈피 변화의 측정 1.02 g의 Mg과 과량의 1 M HCl(aq) (255.0 g)을 커피컵 열량계에서 반응시킨다. 용액의 온도, Tsoln 는 22.0에서 41.6°C로 증가한다. cHCl = 3.90 J g-1°C-1 . Mg(s) + 2 HCl(aq) H2(g) + MgCl2(aq) ΔH°= ? q용액 = m용액 c ΔT (m용액 = m산 + mMg ) = 256.0 g (3.90 J g-1 °C-1)(41.6 − 22.0)°C = 1.957 x 104 J E의 보존 : q용액 + q반응 = 0 q반응 = –q용액 q반응 = –19.57 kJ = ΔH qrxn = –19.57 kJ = ΔH for 1.00 g nMg = 1.02 g = 0.04196 mol 1 mol 24.31 g = 또는 ΔH° = – 466 kJ ΔH 1 mol Mg –19.57 kJ 0.04196mol

Hess의 법칙 다르게 표현하면: H 는 상태함수이다. “만약 어떤 반응식의 2개 이상의 다른 반응들의 합으로 주어지면, 그 반응의 ΔH° 는 다른 반응들의 ΔH°의 합으로 주어진다. ” 다르게 표현하면: “어떤 반응의 ΔH° 는 그 반응이 한 단계로 일어나거나 여러 단계로 일어나거나 같다.” H 는 상태함수이다.

Hess의 법칙 반응에 어떤 값이 곱해지면, ΔH에도 곱해진다. 반응을 거꾸로 하면, ΔH의 부호가 바뀐다. 2 CO(g) + O2(g) → 2 CO2 (g) ΔH = −566.0 kJ 즉 2 CO2(g) → 2 CO(g) + O2(g) ΔH = –1(–566.0 kJ) = + 566.0 kJ 4 CO2(g) → 4 CO(g) + 2 O2(g) ΔH = –2(–566.0 kJ) = +1132.0 kJ

Hess의 법칙 Hess의 법칙을 이용하여 ΔH 를 측정하기 어려운 반응의 ΔH 를 구할 수 있다. 예 CO2 가 항상 생성되기 때문에 다음 반응의 ΔH 는 측정하기 어렵다. 2 C(graphite) + O2(g) 2 CO(g) 다음의 자료로부터 이 반응의 ΔH 를 구하시오. C(graphite) + O2(g) CO2(g) ΔH = −393.5 kJ 2 CO(g) + O2(g) 2 CO2(g) ΔH = −566.0 kJ 상태표시를 생략하면

Hess의 법칙 원하는 반응: 2 C + O2 → 2 CO ??? 주어진: (A) C + O2 → CO2 −393.5 kJ 반응 (B) 2CO + O2 → 2 CO2 −566.0 kJ +2 x (A) 2C + 2O2 → 2CO2 2(−393.5) = −787.0 −1 x (B) 2CO2 → 2CO + O2 −1(−566.0) = +566.0 2C + 2O2 + 2CO2 → 2CO2 + 2CO + O2 −221.0 2 C + O2 → 2 CO ΔH° = −221.0 kJ

2 C(s) + 2 H2O(g) CH4(g) + CO2(g) Hess의 법칙 석탄 기체의 생성에 대한 ΔH° 의 결정: 2 C(s) + 2 H2O(g) CH4(g) + CO2(g) 아래 반응들을 이용: C(s) + H2O(g) CO(g) + H2(g) ΔH° = 131.3 kJ CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g) ΔH° = −41.2 kJ CH4(g) + H2O(g) CO(g) + 3 H2(g)ΔH° = 206.1 kJ A B C 상태표시 생략

원하는 반응: 2 C + 2 H2O → CH4 + CO2 ??? 주어진:A C + H2O → CO + H2 131.3 kJ 반응 B CO + H2O → CO2 + H2 −41.2 kJ C CH4 + H2O → CO + 3 H2 206.1 kJ +2 x A 2 C + 2 H2O → 2 CO + 2 H2 +262.6 −1 x C CO + 3 H2 → CH4 + H2O −206.1 +1 x B CO + H2O → CO2 + H2 −41.2 2C + 2H2O → CH4 + CO2 15.3 kJ (상쇄하고 더하면)

표준 몰 생성엔탈피 Hess의 법칙 문제는 종종 연소반응을 이용한다. 생성반응 표준 상태에 있는 원소들로부터 화합물 1몰을 생성한다. H2 의 연소: 2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(ℓ) ΔH° = −571.66 kJ 물의 생성반응은: H2(g) + ½ O2(g) 1H2O(ℓ)ΔHf° =−285.83 kJ 1 f = 생성(formation)

표준 몰 생성엔탈피 표준상태: 1 기압의 압력에서 순수한 원소의 가장 안정한 형태. 표준상태: 1 기압의 압력에서 순수한 원소의 가장 안정한 형태. 즉, C의 표준상태는 흑연 (다이아몬드가 아니고) 표준상태에 있는 모든 원소들의 ΔHf° 는 0 이다. ΔHf° (Br2(ℓ) ) = 0 298 K 에서 ΔHf° (Br2(g) ) ≠ 0 298 K 에서

표준 몰 생성엔탈피 부록 J (25°C) 참고 대부분 음의 값 (생성은 E 방출), 그러나 양의 값이 될 수도 있다. 화합물 ΔHf°, kJ/mol Al2O3(s) aluminum oxide −1675.7 CaO(s) calcium oxide −635.09 CH4(g) methane −74.81 C2H2(g) acetylene +226.73 C2H4(g) ethylene +52.26 C2H6(g) ethane −84.68 C2H5OH(l) ethanol −277.69 H2O(g) water vapor −241.818 H2O(l) liquid water −285.830 NaF(s) sodium fluoride −573.647 부록 J (25°C) 참고 대부분 음의 값 (생성은 E 방출), 그러나 양의 값이 될 수도 있다. 물리적 상태가 변하면, ΔHf° 도 변한다.

표준 몰 생성엔탈피 ΔH° ={(n생성물)(ΔHf° 생성물)} – {(n반응물)(ΔHf° 반응물)} 예 CH4(g) + NH3(g)  HCN(g) + 3 H2(g) ΔH° = ΔHf°(HCN) + 3ΔHf°(H2)−ΔHf°(NH3) - ΔHf°(CH4) = +134 + 3(0) − (−46.11) – (−74.85) = 255 kJ