제 6 장 화학 반응과 에너지와의 관계

에너지는 일을 할 수 있는 능력이다. 복사 에너지: 태양에서 오며 지구의 근본적인 에너지원 복사 에너지: 태양에서 오며 지구의 근본적인 에너지원 열 에너지: 원자와 분자의 무질서한 운동과 관련된 에너지 화학 에너지: 화학 물질의 단위 구조 내에 저장되어 있는 에너지 핵 에너지: 원자핵 내의 양성자와 중성자의 집합에 저장되어 있는 에너지 퍼텐셜 에너지: 물체의 위치를 이용한 에너지

화학 반응에서의 에너지 변화 열(heat): 온도가 서로 다른 두 물체 사이의 열 에너지의 이동 온도(temperature): 열 에너지의 측정 척도 온 도 = 열 에너지

열화학(thermochemistry ): 화학 반응에서의 열의 변화에 대한 연구 계(system): 연구의 대상이 되는 우주의 특정 부분 열린계 닫힌계 고립계 교환 대상: 물질 & 에너지 에너지 교환 없음

에너지 + 2HgO(s) 2Hg(l) + O2(g) 발열(exothermic process) 과정: 열을 방출하는 -즉, 주위로 열 에너지가 이동하는 과정 2H2(g) + O2(g) 2H2O(l) + 에너지 H2O(g) H2O(l) + 에너지 흡열(endothermic process) 과정: 열을 흡수하는 -즉, 주위에서 계로 열이 공급되는 과정 에너지 + 2HgO(s) 2Hg(l) + O2(g) 에너지 + H2O(s) H2O(l)

발열 과정과 흡열 과정에 대한 도표 흡열: 계로부터 주위로 열을 흡수한다 발열: 계에서 주위로 열을 방출한다 에너지 에너지

열역학(Thermodynamics): 열과 다른 종류의 에너지와 상호 변환 관계를 과학적으로 연구 상태 함수(State functions): 주어진 조건까지 도달한 과정에는 상관없이 계의 상태에 의해서만 결정되는 성질 에너지, 온도, 압력, 부피 DU = Ufinal - Uinitial DP = Pfinal - Pinitial DV = Vfinal - Vinitial DT = Tfinal - Tinitial 등산객 1과 등산객 2의 퍼텐셜 에너지는 그들이 다른 경로를 택하였지만 같다.

연소에 의해 잃게 되는 화학 에너지 = 주위가 얻게 되는 열 에너지 열역학 제 1법칙 – 에너지 보존 법칙 에너지는 한 형태에서 다른 형태의 에너지로 전환될 수 있지만, 만들어지거나 파괴될 수 없다는것을 말한다. DU 계 + DU 주위 = 0 DU계 = DU = q + w DU주위 = -q - w DU 계 + DU 주위 = 0 또는 DU 계 = -DU 주위 C3H8 + 5O2 3CO2 + 4H2O 발열 반응 ! 연소에 의해 잃게 되는 화학 에너지 = 주위가 얻게 되는 열 에너지 계 주위

DUsystem 에 대한 열역학 1법칙의 다른 형태 DU계 = DU = q + w DU주위 = -q - w DU 계 + DU 주위 = 0 DUsystem = DU = q + w DU 는 계의 내부 에너지 변화이다 q 는 계와 주위 사이의 열 교환이다. w 는 계에 대해 행한(혹은 계에 의한) 일이다. w = -PDV 일정한 외부 압력에 대해 기체가 팽창할 때의 일

계에 대해 행한 일 일(Work)은 상태 함수가 아니다. w = F x d w = -P DV DV > 0 P x V = x d3 = F x d = w F d2 일(Work)은 상태 함수가 아니다. Dw = w처음 – w마지막 처음 마지막

엔탈피 (H)와 열역학 1법칙 일정 압력에서: DU = q + w H = U + PV DH = D(U + PV) = DU + D(PV ) 일정 압력에서 DH = DU + PDV = q + w + PDV = q – PDV + PDV = q = qp 일정 압력에서: q = DH 와 w = -PDV DE = DH - PDV DH = DU + PDV

DH = 일정 압력하에서 반응 중에 방출 혹은 흡수한 열 DH = H (생성물) – H (반응물) DH = 일정 압력하에서 반응 중에 방출 혹은 흡수한 열 H생성물 > H반응물 DH > 0 H생성물 < H반응물 DH < 0

열화학 반응식 DH 는 양수인가 음수인가? 계가 열을 흡수 흡열 반응 DH > 0 00C, 1 atm에서 1 몰의 얼음이 녹을 때마다 6.01 kJ의 열이 흡수된다. H2O(s) H2O(l) DH = 6.01 kJ/mol

CH4 (g) + 2O2 (g) CO2 (g) + 2H2O (l) 열화학 반응식 DH 는 양수인가 음수인가? 계가 열을 방출 발열 반응 DH < 0 1 몰의 메탄이 250C, 1 기압에서 연소될 때 890.4 kJ 의 열이 방출된다. CH4 (g) + 2O2 (g) CO2 (g) + 2H2O (l) DH = -890.4 kJ

열화학 반응식 화학양론의 계수는 항상 물질의 몰 수를 나타낸다. H2O (s) H2O (l) DH = 6.01 kJ H2O (l) H2O (s) DH = -6.01 kJ 만일 반응을 n 배 하면 DH 도 n 배로 증가한다. 2H2O (s) 2H2O (l) DH = 2 x 6.01 = 12.0 kJ

열화학 반응식 열화학 반응식에서는 모든 반응물과 생성물의 물리적 상태가 표시되어야 한다. H2O (s) H2O (l) DH = 6.01 kJ H2O (l) H2O (g) DH = 44.0 kJ

2Na (s) + 2H2O (l) 2NaOH (aq) + H2 (g) DH = -367.5 kJ/mol DH 와 DU 의 비교 2Na (s) + 2H2O (l) 2NaOH (aq) + H2 (g) DH = -367.5 kJ/mol DU = DH - PDV 25 0C 에서 1 몰 H2 = 24.5 L at 1 atm PDV = 1 atm x 24.5 L = 2.5 kJ DU = -367.5 kJ/mol – 2.5 kJ/mol = -370.0 kJ/mol

물질의 비열 (s)은 물질 1 그램의 온도를 섭씨 1 도만큼 올리는데 필요한 열량 (q)이다. 물질의 열용량 (C)은 주어진 질량 (m)의 물질의 온도를 섭씨 1 도만큼 올리는데 필요한 열량 (q)이다. C = m x s 흡수 혹은 방출된 열(q) q = m x s x Dt q = C x Dt Dt = t최종 – t초기

일정-부피 열량계 qsys = qwater + qbomb + qrxn qsys = 0 qrxn = - (qwater + qbomb) qwater = m x s x Dt qbomb = Cbomb x Dt 일정 부피(V)에서의 반응 DH = qrxn DH ~ qrxn 열의 출입이 없다!

일정-압력 열량계 qsys = qwater + qcal + qrxn qsys = 0 qrxn = - (qwater + qcal) qwater = m x s x Dt qcal = Ccal x Dt 일정 압력(P)에서의 반응 DH = qrxn 열의 출입이 없다!

물질의 엔탈피 절대값을 측정할 수 있는 방법이 없으므로 관심 있는 모든 반응의 엔탈피 변화를 측정해야만 하는가? 표준 생성 엔탈피와 표준 반응 엔탈피 물질의 엔탈피 절대값을 측정할 수 있는 방법이 없으므로 관심 있는 모든 반응의 엔탈피 변화를 측정해야만 하는가? 모든 엔탈피 표현의 기준점으로 표준 생성 엔탈피(DH0f)에 대한 임의의 척도를 확립한다. 표준 생성 엔탈피 (DH0f) 는 1 기압 상태에서 그 화합물을 구성하는 원소로부터 1 몰의 화합물이 생성될 때의 열 변화이다. 가장 안정한 형태에 있는 한 원소의 표준 생성 엔탈피는 0 이다. DH0 (O2) = 0 f DH0 (C, graphite) = 0 f DH0 (O3) = 142 kJ/mol f DH0 (C, diamond) = 1.90 kJ/mol f

표준 반응 엔탈피 (DH0rxn)는 1 기압에서 진행되는 어떤 반응의 엔탈피이다. aA + bB cC + dD DH0 rxn dDH0 (D) f cDH0 (C) = [ + ] - bDH0 (B) aDH0 (A) DH0 rxn nDH0 (생성물) f = S mDH0 (반응물) - 헤스(Hess)의 법칙: 화학 반응이 일어날 때의 엔탈피 변화는 그 반응이 한 단계로 일어나든 여러 단계로 일어나든지 간에 상관없이 동일하다. (엔탈피는 상태 함수이다. 시작점과 끝나는 점에만 의존하고 그 경로에는 의존하지 않는다.)

직접법 DH0 DH0 (CO2) = DH0 (graphite + O2) - = -393.5 kJ/mol – ( 0 + 0 ) C (graphite) + O2 (g) CO2 (g) DH0 = -393.5 kJ/mol rxn DH0 rxn DH0 (CO2) f = DH0 (graphite + O2) - = -393.5 kJ/mol – ( 0 + 0 ) 간접법 C (graphite) + 1/2O2 (g) CO (g) CO (g) + 1/2O2 (g) CO2 (g) C (graphite) + O2 (g) CO2 (g)

산소-아세틸렌 불꽃