일반화학 ( 최종호교수님 ) 지정 좌석 배치도 (101 명 / 115 석 ) 교단 DOORDOOR 황승태황승태 김지수김지수 이성종이성종 김보람김보람 신유림신유림 한성화한성화 박세인박세인 박성현박성현 유연경유연경 조용현조용현 정재형정재형 이창혁이창혁 김민겸김민겸 권나솔권나솔.

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1 일반화학 ( 최종호교수님 ) 지정 좌석 배치도 (101 명 / 115 석 ) 교단 DOORDOOR 황승태황승태 김지수김지수 이성종이성종 김보람김보람 신유림신유림 한성화한성화 박세인박세인 박성현박성현 유연경유연경 조용현조용현 정재형정재형 이창혁이창혁 김민겸김민겸 권나솔권나솔 이세호이세호 지나윤지나윤 권성은권성은 정은지정은지 김민지김민지 고두연고두연 김영찬김영찬 권동현권동현 최은주최은주 조태현조태현 박준범박준범 한얼한얼 서성원서성원 정하빈정하빈 김민주김민주 전미현전미현 최승희최승희 정유현정유현 고명은고명은 오누리오누리 이상민이상민 황선우황선우 김영언김영언 박유나박유나 안예림안예림 박범찬박범찬 김동휘김동휘 강지훈강지훈 송단비송단비 김정윤김정윤 민지영민지영 손준호손준호 정하일정하일 소장령소장령 최지웅최지웅 김동현김동현 박준규박준규 최원용최원용 전주현전주현 조은정조은정 김종백김종백 김수리김수리 동성희동성희 박성연박성연 김효신김효신 이동준이동준 김준엽김준엽 김희연김희연 김성규김성규 김범규김범규 임혜진임혜진 김지원김지원 이후경이후경 김지언김지언 김세희김세희 김동수김동수 홍은정홍은정 이정운이정운 전은진전은진 이예솔이예솔 박건수박건수 이준배이준배 이경진이경진 윤혜성윤혜성 황다솔황다솔 박관영박관영 이수민이수민 엄용석엄용석 박상철박상철 정차성정차성 김지은김지은 이재희이재희 표지영표지영 박진희박진희 강민경강민경 안덕현안덕현 서홍안서홍안 이웅희이웅희 권세현권세현 김예슬김예슬 박광남박광남 김동찬김동찬 전민호전민호 김혜린김혜린 정희원정희원 장은미장은미 송혜지송혜지

2 일반화학 및 연습 I 담당 교수 : 최 종호 ( 이학관 316 호 : 3290-3135) 담당 조교 : 강규원, 안민준 ( 이학관 324 호 : 3290-3550) 교재 : 현대 일반 화학 ( 제 5 판 : Oxtoby 외 ) 수업시간 : 10 시 30 분 – 11 시 45 분 강의 계획 및 일정, 평가 : 홈페이지 참조 http://genchem.korea.ac.kr 연습일 및 문제 : 연습은 매주 목요일 오후 7 시 ( 정규 수업처럼 출석 검사 ) 보강이 필요시 연습 시간 이용 출석 : 출석률 90% 미만과 대리출석 ( 관련자 포함 ) 예외없이 모두 F 주의 사항 : 정숙 요망, 수업 중 이동 금지, 지각 금지 (10 시 45 분 이후에 출입금지 ). 지각 2 회 = 결석 1 회

3 9 장. 화학평형 기본원리와 기체반응에의 응용 일반적인 반응 : - 100% 완결 안된 채로 평형 상태에 도달 - 평형 상태는 평형상수에 의해 표현 이장의 주제 : - 평형 상수 - 실험 조건에 따른 평형상수의 변화 - 평형 상수를 이용한 반응 수득률 조절

4 9.1 화학 평형의 본질 평형에 도달하는 과정 예 ) [Co(H 2 O) 6 ] 2+ + 4 Cl - [CoCl 4 ] 2- + 6H 2 O A( 분홍 ) B C( 파랑 ) A C A + HCl( 보라 ) C + H 2 O( 보라 ) 같은 평형 : 방향에 무관 ! 정량적인 분석 : 초기 조건 : [A] o = [B] o [C] o 에 물 첨가 같은 평형 ( 기울기가 0) 에 도달 !

5 평형 평형상태의 특성 - 상 평형 예 ) H 2 O (l) H 2 O (g) : 증발 속도 = 응축 속도 - 화학 평형 ㄱ ) 거시적으로는 변화가 없다. ㄴ ) 자발적으로 진행한다. ㄷ ) 동적 평형 : 정반응 속도 = 역반응 속도 ㄹ ) 접근 방향에 무관 cf) 정류 상태 (steady state) 반응 경로간의 경쟁에 균형 존재 : 거시적 변화 없다. 예 ) A  B  C : B 의 생성 속도 = 소모 속도 B 가 정류 상태에 있다 한다.

6 9-2. 질량작용의 법칙 - 평형 상태에 있는 임의의 반응에 대해 aA + bB cC + dD 1) 압력 ( 기체 반응 ) 으로 표현한 실험 평형 상수는 = 일정 [ 단위 : ( 압력 ) c+d-a-b ] 예 ) 9-1 2) 농도 ( 용액 반응 ) 로 표현한 실험 평형 상수는 K c = = 일정 : 질량 작용의 법칙 [ 단위 : ( 농도 ) c+d-a-b ] 예 ) 9-2 3) 순수한 물질 ( 고체, 액체 ) 는 평형식에 나타내지 않는다. 예 ) 9-3 - 평형상수는 주어진 온도에서 화학반응의 고유한 값 - 값의 크기 : 반응물, 생성물의 상대적 비를 표현 K >> 1 : 반응이 많이 진행되어 생성물이 많다 K << 1 : 반응이 적게 진행되어 반응물이 많다 K = 1 : 반응물과 생성물이 비슷한 비율로 존재

7 9.3. 평형상태의 열역학적 설명 화학반응의 평형 : ΔG =0 이상기체의 반응 1) 깁스 자유에너지의 압력 의존성 일정 온도에서 자유에너지 변화는 ΔG = Δ(H-TS) = ΔH –TΔS = -TΔS ( 등온 과정 : ΔH = 0) ΔS = nR ln(V 2 /V 1 ) = nR ln(P 1 /P 2 ) = - nR ln(P 2 /P 1 ) (8 장 5 절 ) ΔG = nRT ln(P 2 /P 1 ) P 1 = 1 기압인 기준 상태를 취하고, P 2 = P 라 놓으면 ΔG = nRT ln(P/P 기준 ) ΔG = nRT lnP cf) ln 함수 안의 값에는 단위가 없다.

8 2) 기체상 반응의 평형식 예 ) 3NO(g) N 2 O(g) + NO 2 (g) 기체의 분압이 기준 기압인 1 기압과 다르면, 다음 3 단계 고려 ΔG 1 = 3RT ln(P 기준 /P NO ) = RT ln(P 기준 /P NO ) 3 ΔG 2 = ΔG o ΔG 3 = RT ln(P N2O /P 기준 ) + RT ln(P NO2 /P 기준 ) = RT ln[(P N2O /P 기준 )(P NO2 /P 기준 )] ΔG = ΔG 1 + ΔG 2 + ΔG 3 ( 상태함수 성질 ) = ΔG o + RTln[(P N2O /P 기준 )(P NO2 /P 기준 )/(P NO /P 기준 ) 3 ] 평형에서는 ΔG = 0 이므로 ΔG o = - RT ln [(P N2O /P 기준 ) (P NO2 /P 기준 ) / (P NO /P 기준 ) 3 ] ΔG o = - RT ln K(T) : 열역학적 평형상수

9 기체상 반응에서의 질량작용의 법칙 평형상태에 있는 임의의 기체 반응에 대해 aA + bB → cC + dD - 열역학적 평형상수 K : ΔG o = - RTln[(P c /P 기준 ) c (P D /P 기준 ) d / [(P A /P 기준 ) a (P B /P 기준 ) b ]] = - RT lnK K = (P c /P 기준 ) c (P D /P 기준 ) d / [(P A /P 기준 ) a (P B /P 기준 ) b ] - K 의 특성 1) 평형상태에만 적용 가능 2) ΔG o 를 알면 계산 가능 : ΔG o = - RT lnK 3) K 는 단위가 없다. cf) K p 와의 관계 P C c P D d / (P A a P B b ) = K (P 기준 ) (c+d-a-b) 만약 P 기준 = 1 기압이면, K = K p - 열역학 평형상수 K 를 많이 이용하며, P 기준 = 1 이면 K = (P C c P D d )/(P A a P B b )

10 용액상 반응에서의 질량작용의 법칙 - 유사한 논의가 적용되고, 압력대신 농도 이용 ΔG = nRT ln(c 2 /c 1 ) = ΔG o + ln[([C]/c 기준 ) c ([D]/c 기준 ) d /([A]/c 기준 ]) a /([B]/c 기준 ) b ] = - RT lnK ΔG o = - RT lnK - 열역학 평형상수 K 를 많이 이용하고, c 기준 = 1M 이면, K = K c K = [C] c [D] d / ([A] a [B] b ) ( 단위가 없다 ) 예 ) 9-5

11 - 특정 기준 상태에서의 성질과 임의의 상태에서의 성질 비교에 편리 - 질량 작용의 법칙을 일반화시키는 데 이용 - 기준 상태에 있는 순수한 물질의 활동도는 1 로 정한다. 활동도 (Activity)  G 의 압력의존성 예 ) 이상기체의 압력이 일정 온도에서 P 1 에서 P 2 로 변할때, 일반화 (a: 활동도, activity) a 1 = a 기준 = 1, a 2 = a ( 기준 상태의 활동도는 항상 1)

12 1) 기체의 기준상태 : 1 기압의 이상기체로 정한다. 임의의 압력 P i 에서의 활동도는 a i =  i P i / P 기준 =  i P i : 기준 상태에 대한 압력비  i 는 활동도 계수로 이상기체의 경우 1 이다. 즉 이상기체의 경우 a i = P i. 2) 용액의 기준상태 : c 기준 = 1M 의 이상용액으로 정한다. 임의의 농도 c i 에서의 활동도는 a i =  i c i / c 기준 =  I c i : 기준 상태에 대한 농도비  i 는 활동도 계수로 이상용액의 경우 1 이다. 즉 이상용액의 경우 a i = c i “ 활동도 계수  I : 실제 계의 비이상성에 대한 정보를 표현 ” P 1 = X 1 P 1 o (P 1 o : 순순한 용매의 증기압 ) 이상 용액 : 라울의 법칙을 만족.

13 질량작용법칙의 근사적 표현 방법 - 기체의 압력이 수 기압을 초과하지 않으면 분압으로, - 용질의 농도가 0.1M 을 초과하지 않으면 농도로 표기 - 순수한 고체와 순수한 액체는 평형식에 나타나지 않음 - 근사식은 약 5% 오차 범위이내에서 정확하다. 일반화된 질량작용의 법칙 임의의 반응에 대해 aA + bB  cC + dD ( 단위가 없다 ) 순수한 액체나 고체의 a = 1 이다. 참고 ) 진한 이온 용액, 생화학적 계에서는 활동도를 이용

14 예 ) 9-6 : 요소의 생성반응 CO 2 (g) + 2NH 3 (g)  CO(NH 2 ) 2 (aq) + H 2 O(l) K = (a 요소  a H2O ) / (a CO2  a 2 NH3 ) = (a 요소 ) / (a CO2  a 2 NH3 )  [ 요소 ] / (P CO2  P 2 NH3 ) --- 낮은 압력과 농도에서만 성립 ( 근사적 표현법 )

15 9-4. 동시에 연관된 평형들에 대한 질량작용의 법칙 평형식 사이의 관계 - 역반응 : 정반응 평형상수의 역수 예 ) 2H 2 (g) + O 2 (g) 2H 2 O(g) 2H 2 O(g) 2H 2 (g) + O 2 (g) - 상수를 곱할 경우 평형상수의 상수 인자 승으로 예 ) H 2 (g) + 1/2 O 2 (g) H 2 O(g) K 3 = K 1 1/2 - 두 화학반응을 더하면, 평형상수는 곱으로 예 ) 2BrCl(g) Cl 2 (g) + Br 2 (g) Br 2 (g) + I 2 (g) 2 IBr(g) 2BrCl(g) + I 2 (g) 2IBr(g) + Cl 2 (g)

16 9.5 기체상 및 불균일 반응에서의 평형계산 기체상 반응을 다루나, 과정은 모든 평형에 적용 문제 해결 과정 1. 균형 화학 반응식을 적는다. 2. 반응 초기, 진행, 평형의 3 단계로 생각한다. 3. 필요에 따라 근사시킨다. 예 ) 9-8 : CO(g) + Cl 2 (g) COCl 2 (g) 초기 :0.60 1.10 진행 : 0.10 ----------------------------------------------------------- 평형 : 0.50 1.00 0.10 K = P COCl2 /(P CO P Cl2 ) = 0.10/0.50/1.00 = 0.20

17 알려진 K 를 이용한 평형 조성 계산 예 9-10) 400 K 에서 반응전의 기체 분압 P H2 = 1.323 atm, P I2 = 1.140 atm. 600 K 로 온도를 증가시킨 후 섞으면 K = 92.6 H 2 (g) + I 2 (g) 2HI(g) 600 K 에서 각 기체의 평형 분압은 ? 풀이 ) 600K 에서의 각 기체의 분압은 P H2 = 1.323 atm x 600/400 = 1.980 atm, P I2 = 1.140 atm x 600/400 = 1.710 atm H 2 (g) + I 2 (g) 2HI(g) 초기 :1.980 1.710 진행 : -x -x 2x ----------------------------------------------- 평형 : 1.980-x 1.710-x 2x K = (P HI ) 2 /(P H2 P I2 ) = (2x) 2 /[(1.980-x)(1.710-x)] = 92.6 x = 1.5044 또는 2.3522 atm (x = 2.3522 atm 은 의미없는 답 ) P HI = 2x = 3.0088 atm, P H2 = 1.980-x = 0.4756 atm P I2 = 1.710-x = 0.2056 atm

18 예 ) 9-11 : 근사법 수증기 개질 반응 (steam reforming) CH 4 (g) + H 2 O(g) CO(g) + 3H 2 (g) 600K 에서 반응의 K = 1.8 x 10 -7 이고, 초기 분압은 P CH4 = 1.40, P H2O = 2.30, P CO = 1.60 일 때, 평형상태에서의 H 2 의 분압은 ? 풀이 ) CH 4 (g) + H 2 O(g) CO(g) + 3H 2 (g) 초기 : 1.40 2.30 1.60 0 진행 : -y -y y 3y ---------------------------------------------------------------------- 평형 : 1.40-y 2.30-y 1.60+y 3y K = P CO (P H2 ) 3 /(P CH4 P H2O ) = 1.8 x 10 -7 근사 : K 가 매우 작으므로 반응 진행정도 y 가 작다. K ~ (1.60)(3y) 3 /(1.40)(2.30) y = 2.38 x 10 -3 P H2 = 3y = 7.1 x 10 -3 atm

19 기체 농도를 이용한 평형 계산 - 분압 대신 농도로 기술되는 경우에는 [A] = n A /V = P A /RT, 즉, P A = [A] RT - 임의의 기체상 반응에 대해 aA(g) + bB(g) cC(g) + dD(g) K = (RT[C]/P 기준 ) c (RT[D]/P 기준 ) d / [(RT[A]/P 기준 ) a (RT[B]/P 기준 ) b ] [C] c [D] d /([A] a [B] b ) = K(RT/P 기준 ) a+b-c-d 예 ) 9-12 : PCl 5 (g) PCl 3 (g) + Cl 2 (g) 300 o C 에서 평형상태에서 K = 11.5 이고, [PCl 3 ] = [Cl 2 ] = 0.0100 mol/L 이라면 [PCl 5 ]? 풀이 ) [PCl 3 ][Cl 2 ] / [PCl 5 ] = K(RT/P 기준 ) -1 = 11.5 x (0.0826 x 573) -1 = 0.245 mol/L [PCl 5 ] = 4.08x10 -4 mol/L