화학평형 15장

평형 (Equilibrium)은 시간변화에 따라 어떠한 변화도 감지되지 않는 상태를 말함 화학평형 (Chemical equilibrium) : 정방향과 역방향의 반응속도가 같을 때 생성물과 반응물의 농도가 일정하게 유지될 때 물리적 평형 H2O (l) H2O (g) 화학평형 N2O4 (g) 2NO2 (g) 14.1

N2O4 (g) 2NO2 (g) 평형 평형 평형 Start with NO2 Start with N2O4 Start with NO2 & N2O4 14.1

constant 14.1

평형은…. N2O4 (g) 2NO2 (g) K = [NO2]2 [N2O4] = 4.63 x 10-3 aA + bB cC + dD K = [C]c[D]d [A]a[B]b 질량작용의 법칙 평형은…. K >> 1 오른쪽에 위치 생성물이 우세 K << 1 왼쪽에 위치 반응물이 우세 14.1

P2 P 균일평형 (Homogenous equilibrium) 모든 반응종들이 같은 상에 있는 경우 N2O4 (g) 2NO2 (g) Kp = NO2 P2 N2O4 P Kc = [NO2]2 [N2O4] In most cases Kc  Kp aA (g) + bB (g) cC (g) + dD (g) Kp = Kc(RT)Dn Dn = 가스상의 생성물의 몰수 – 가스상의 반응물의 몰수 = (c + d) – (a + b) 14.2

‘ ‘ 균일평형 CH3COOH (aq) + H2O (l) CH3COO- (aq) + H3O+ (aq) [CH3COO-][H3O+] [CH3COOH][H2O] Kc = ‘ [H2O] = constant [CH3COO-][H3O+] [CH3COOH] = Kc [H2O] ‘ Kc = 일반적으로 평형상수는 단위가 없다. 14.2

The equilibrium concentrations for the reaction between carbon monoxide and molecular chlorine to form COCl2 (g) at 740C are [CO] = 0.012 M, [Cl2] = 0.054 M, and [COCl2] = 0.14 M. Calculate the equilibrium constants Kc and Kp. CO (g) + Cl2 (g) COCl2 (g) [COCl2] [CO][Cl2] = 0.14 0.012 x 0.054 Kc = = 220 Kp = Kc(RT)Dn Dn = 1 – 2 = -1 R = 0.0821 T = 273 + 74 = 347 K Kp = 220 x (0.0821 x 347)-1 = 7.7 14.2

The equilibrium constant Kp for the reaction is 158 at 1000K. What is the equilibrium pressure of O2 if the PNO = 0.400 atm and PNO = 0.270 atm? 2NO2 (g) 2NO (g) + O2 (g) 2 Kp = 2 PNO PO PNO PO 2 = Kp PNO PO 2 = 158 x (0.400)2/(0.270)2 = 347 atm 14.2

고체와 순수한 액체의 농도는 평형상수에 포함되지 않는다. 불균일평형 (Heterogenous equilibrium) 반응물과 생성물들이 서로 다른 상에 있는 경우 CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g) Kc = ‘ [CaO][CO2] [CaCO3] [CaCO3] = constant [CaO] = constant Kc x ‘ [CaCO3] [CaO] Kc = [CO2] = Kp = PCO 2 고체와 순수한 액체의 농도는 평형상수에 포함되지 않는다. 14.2

는 CaCO3 or CaO의 농도에 의존하지 않는다 CaCO3 (s) CaO (s) + CO2 (g) PCO 2 = Kp PCO 2 는 CaCO3 or CaO의 농도에 의존하지 않는다 14.2

Consider the following equilibrium at 295 K: The partial pressure of each gas is 0.265 atm. Calculate Kp and Kc for the reaction? NH4HS (s) NH3 (g) + H2S (g) Kp = P NH3 H2S P = 0.265 x 0.265 = 0.0702 Kp = Kc(RT)Dn Kc = Kp(RT)-Dn Dn = 2 – 0 = 2 T = 295 K Kc = 0.0702 x (0.0821 x 295)-2 = 1.20 x 10-4 14.2

‘ ‘ ‘ ‘ ‘ Kc = [C][D] [A][B] Kc = [E][F] [C][D] Kc A + B C + D Kc C + D E + F [E][F] [A][B] Kc = A + B E + F Kc Kc = Kc ‘ x If a reaction can be expressed as the sum of two or more reactions, the equilibrium constant for the overall reaction is given by the product of the equilibrium constants of the individual reactions. 14.2

‘ N2O4 (g) 2NO2 (g) 2NO2 (g) N2O4 (g) = 4.63 x 10-3 K = [NO2]2 [N2O4] = 216 When the equation for a reversible reaction is written in the opposite direction, the equilibrium constant becomes the reciprocal of the original equilibrium constant. 14.2

Writing Equilibrium Constant Expressions The concentrations of the reacting species in the condensed phase are expressed in M. In the gaseous phase, the concentrations can be expressed in M or in atm. The concentrations of pure solids, pure liquids and solvents do not appear in the equilibrium constant expressions. The equilibrium constant is a dimensionless quantity. In quoting a value for the equilibrium constant, you must specify the balanced equation and the temperature. If a reaction can be expressed as a sum of two or more reactions, the equilibrium constant for the overall reaction is given by the product of the equilibrium constants of the individual reactions. 14.2

화학반응속도와 화학평형의 차이 ratef = kf [A][B]2 A + 2B AB2 kf kr rater = kr [AB2] ratef = rater kf [A][B]2 = kr [AB2] kf kr [AB2] [A][B]2 = Kc = 14.3

반응지수 (reaction quotient (Qc))는 평형상수(Kc)식에 초기반응물의 농도와 생성물의 농도를 넣은 식 만약 Qc > Kc 오른쪽에서 왼쪽으로 반응이 진행 Qc = Kc 평형상태 Qc < Kc 왼쪽에서 오른쪽으로 반응이 진행 14.4

ICE 12800C 에서 다음 반응의 평형상수 (Kc)는 1.1 x 10-3이었다. 초기농도가 [Br2] = 0.063 M [Br] = 0.012 M일 때 이 화학종들의 평형에서의 농도를 구하라 Br2 (g) 2Br (g) Br2 의 농도변화를 x 라고 하면 Br2 (g) 2Br (g) Initial (M) 0.063 0.012 ICE Change (M) -x +2x Equilibrium (M) 0.063 - x 0.012 + 2x [Br]2 [Br2] Kc = Kc = (0.012 + 2x)2 0.063 - x = 1.1 x 10-3 x에 관한 식을 풀면 된다. 14.4

Kc = (0.012 + 2x)2 0.063 - x = 1.1 x 10-3 4x2 + 0.048x + 0.000144 = 0.0000693 – 0.0011x 4x2 + 0.0491x + 0.0000747 = 0 -b ± b2 – 4ac  2a x = ax2 + bx + c =0 x = -0.0105 x = -0.00178 Br2 (g) 2Br (g) Initial (M) Change (M) Equilibrium (M) 0.063 0.012 -x +2x 0.063 - x 0.012 + 2x At equilibrium, [Br] = 0.012 + 2x = -0.009 M or 0.00844 M At equilibrium, [Br2] = 0.062 – x = 0.0648 M 14.4

르샤틀리에 (Le Châtelier) 의 원리 평형은 외부에서 가해진 교란의 방향과 반대반향으로 움직여 새로운 평형에 도달한다 농도의 변화 N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) NH3 첨가 새로운 평형에 도달 14.5

르샤틀리에 (Le Châtelier) 의 원리 농도의 변화 Remove Add Add Remove aA + bB cC + dD 변화 평형의 이동 생성물의 농도 증가 왼쪽 생성물의 농도 감소 오른쪽 오른쪽 반응물의 농도 증가 왼쪽 반응물의 농도 감소 14.5

르샤틀리에 (Le Châtelier) 의 원리 부피의 압력의 변화 A (g) + B (g) C (g) 변화 평형의 이동 방향 압력 증가 기체의 몰수가 작은 쪽으로 이동 압력 감소 기체의 몰수가 큰 쪽으로 이동 부피 증가 기체의 몰수가 큰 쪽으로 이동 부피 감소 기체의 몰수가 작은 쪽으로 이동 14.5

르샤틀리에 (Le Châtelier) 의 원리 온도의 변화 Change 발열 반응 흡열 반응 온도 증가 K 감소 K 증가 온도 감소 K 증가 K 감소 colder hotter 14.5

Le Châtelier’s Principle 촉매 사용 K 는 변하지 않음 평형의 위치는 변화 없음 평형에 빨리 도달 촉매가 없을때 촉매사용 촉매는 정반응과 역반응의 Ea 를 낮춘다 14.5

Chemistry In Action: The Haber Process N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) DH0 = -92.6 kJ/mol