열화학 6.1 에너지의 본질과 에너지의 종류 6.2 화학 반응에서의 에너지 변화 6.3 열역학 서론 6.4 화학 반응의 엔탈피

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1 열화학 6.1 에너지의 본질과 에너지의 종류 6.2 화학 반응에서의 에너지 변화 6.3 열역학 서론 6.4 화학 반응의 엔탈피
6.1 에너지의 본질과 에너지의 종류 6.2 화학 반응에서의 에너지 변화 6.3 열역학 서론 6.4 화학 반응의 엔탈피 6.5 열계량법 6.6 표준 생성 엔탈피와 표준 반응 엔탈피 6.7 용해열과 묽힘열 Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc.  Permission required for reproduction or display.

2 Hindenburg Airship General characteristics Crew: 40 to 61 Capacity: 50–72 passengers Length: 245 m Diameter: m Volume: 200,000 m3 Powerplant: 4 × Daimler-Benz DB 602 diesel engines, 890 kW each Performance Maximum speed: 135 km/h LZ 129 Hindenburg on May 6, 1937 이 비행선의 공간을 모두 수소로 채웠다고 가정하고, 상온, 1기압의 대기 중에서 부력을 계산하시오.

3 Hindenberg Airship 이 비행선의 공간을 모두 수소로 채웠다고 가정하고, 상온, 1기압의 대기 중에서 부력을 계산하시오. Volume: 200,000 m3 공기의 무게 = 공기의 몰수 × 공기의 몰질량 𝒏= 𝒑𝑽 𝑹𝑻 = (𝟏.𝟎𝟏𝟑 × 𝟏𝟎 𝟓 𝑷𝒂)(𝟐 ×𝟏𝟎 𝟓 𝒎 𝟑 ) (𝟖.𝟑𝟏𝟒 𝑱 𝑲 −𝟏 𝒎𝒐𝒍 −𝟏 )(𝟐𝟗𝟖𝑲) =𝟖.𝟏𝟕𝟕× 𝟏𝟎 𝟔 𝒎𝒐𝒍 질량 = n × (32 × × 0.8) g = 2.35 × 105 kg 수소의 무게 = n × 2 g = × 104 kg LIFT = 2.19 × 105 kg 중력, 219 톤 또는 × 106 N 참고: B 중량 ~ 180 톤

4 6.1 에너지의 본질과 에너지의 종류 에너지(Energy) : 일을 할 수 있는 능력
일 (work): 어떤 변화 과정에서 야기되는 직접적인 에너지 변화 에너지의 형태 운동 에너지(kinetic energy): 움직이는 물체가 가진 에너지 복사 에너지(Radiant energy) : 태양으로 부터 얻음, 지구상에서 가장 중요한 에너지원 열 에너지(Thermal energy) : 원자와 분자의 무질서한 운동과 관련된 에너지 화학 에너지(Chemical energy) : 화학 물질의 단위 구조 내에 저장되어 있는 에너지 핵 에너지(Nuclear energy) : 원자 내의 중성자와 양성자의 응집에 의해 저장되는 에너지 퍼텐셜 에너지(Potential energy) : 물체의 위치를 이용한 에너지

5 6.2 화학 반응에서의 에너지 변화 거의 모든 화학 반응은 일반적으로 열의 형태로 에너지를 흡수 또는 방출
열(heat): 온도가 서로 다른 두 물체 사이의 열 에너지의 이동 열화학(thermochemistry): 화학 반응에서 열 변화에 대한 연구 화학 변화와 관련된 에너지 변화와 관련된 계와 주위 계(system): 우리가 관심을 갖는 우주의 특정한 부분 화학자들은 물리 화학적 변화를 일으키는 물질을 포함하여 계라고 명명. 주위(surroundings): 계 밖의 모든 우주 계 + 주위 = 우주

6 계의 종류 닫힌 계 열린 계 고립 계 열린 계: 계와 주위 사이에 물질과 에너지가 교환 가능 닫힌 계: 에너지(열)는 이동할
수 있지만 물질은 이동할 수 없는 계 고립 계: 물질이나 에너지 모두 이동이 허용되지 않는 계

7 발열 과정과 흡열 과정 발열 과정은 계에서 주위로 열이 방출하는 과정 흡열 과정은 주위에서 계로 열이 흡수하는 과정 흡열 반응에서 생성물의 전체 에너지는 반응물의 전체 에너지보다 큼. 이 에너지의 차이는 주위에서 계로 공급되는 열 발열 반응에서 생성물의 전체 에너지는 반응물의 전체 에너지보다 작음. 이 에너지의 차이는 계에서 주위로 공급되는 열

8 6.3 열역학 서론 열역학(Thermodynamics) :
열과 다른 종류의 에너지와의 상호변환 관계를 과학적으로 연구하는 학문 열역학에서는 계의 상태 변화를 연구 계의 상태(state of a system): 물질의 조성, 에너지, 온도, 압력, 부피와 같이 관련된 모든 거시적 성질의 값으로 정의 상태 함수(state function): 주어진 조건까지 도달하는 경로에는 상관없이 계의 상태에 의해서만 결정되는 성질 (에너지, 압력, 부피, 온도) 산 아래에서 정상까지 걸어 올라갈 때 얻는 중력장 퍼텐셜 에너지는 걸어 올라간 경로와는 무관

9 열역학 제1법칙 에너지 보존의 법칙에 기초 에너지는 한 형태에서 다른 형태의 에너지로 전환될 수 있지만, 만들어지거나 파괴될 수 없음 황 1 mol과 산소 기체 1 mol이 반응하여 이산화 황 1 mol을 생성하는 반응 계는 반응물 분자인 S와 O2, 생성물 분자인 SO2로 구성 계에서 반응물이나 생성물이 가진 내부 에너지는 알 수 없지만, 에너지 변화(ΔU)는 정확하게 측정 가능 이 반응은 발열 반응 생성물의 에너지는 반응물의 에너지보다 작으며, 따라서 ΔU는 음의 값

10 열역학 제1법칙 황은 공기 중에서 타서 SO2를 형성 열을 방출한다는 것은 반응물에 포함된 화학 에너지의 일부가 열 에너지로
전환되었다는 것을 의미 반응물로부터 주위로 에너지가 이동되어도 우주 전체의 에너지 변화는 0 또는 열역학 제1법칙

11 열역학 제1법칙의 다른 표현 ΔU= q + w Δ U : 계의 내부 에너지의 변화 q : 계와 주위 사이의 열교환
w = -P ΔV 일정한 외부 압력에 대해 기체가 주위에 한 일

12 일과 열 일(w) = 힘(F) x 거리(d) w = F x d
특정 온도, 압력, 부피에서 무게가 없고 마찰 없이 움직이는 피스톤이 있는 실린더에 기체가 채워져 있을 때 기체가 팽창하면 일정한 외부 대기압 P에 대해서 피스톤을 밀어올림 기체가 주위에 한 일: w = -P ΔV, ΔV=Vf – Vi 기체가 팽창하여 ΔV가 양이 되면 -P ΔV는 음의 값 기체가 압축되어(계에 일을 하는 경우) ΔV가 음이 되면 -P ΔV가 양의 값 w = F x d

13 w = -P ΔV = (힘/면적) X 부피 F는 거스르는 힘이고 d는 길이, d2은 면적, d3은 부피 일의 단위: L·atm (1 L•atm = J ) 일은 상태 함수가 아님 P x V = x d3 = F x d = w F d2 압력 부피 Δw = w최종 – w초기

14 열 열 q도 일과 마찬가지로 상태 함수가 아님 어떤 과정에서의 열 에너지 변화는 일 에너지처럼 그 과정이 어떻게 진행되는가에 따라 달라짐 열과 일은 과정(변화) 중에 의해서만 분명 이 값들은 과정의 경로에 의존하고, 이에 따라 다양

15 6.4 화학 반응의 엔탈피 엔탈피(enthalpy, H)
화학 반응이 일정 부피에서 일어날 때, ΔV=0 이고, ΔU= q + w에서, w=0 이므로 ΔU= q v 화학 반응은 일정 부피보다는 일정 압력에서 일어나는 경우가 많기 때문에, 이 경우 ΔU= q + w = q P- PΔV , q P = ΔU +PΔV 엔탈피(enthalpy): H = U + PV 로 정의 U, P, V는 모두 상태 함수 H는 상태 함수이기 때문에 H의 변화, 즉 ΔH 또한 오직 초기 상태와 최종 상태에만 의존 ΔH = ΔU + Δ(PV) 일정 압력에서, Δ(PV)= PΔV 이므로, ΔH = ΔU + PΔV = q P ΔH = q P 일정 압력에서 열 변화 q P = H

16 ΔU < 0 이기 때문에, ΔT < 0, SNOW!
생활속의 화학 인공 눈 만들기 ΔU= q + w q = 0 w < 0, ΔE < 0 ΔU= CΔT ΔU < 0 이기 때문에, ΔT < 0, SNOW!

17 반응 엔탈피 대부분의 화학 반응은 일정 압력에서 일어나기 때문에 열의 변화는 엔탈피의 변화임
반응 엔탈피(ΔH반응, enthalpy of reaction): 생성물의 엔탈피와 반응물의 엔탈피의 차이 ΔH = 일정 압력하에서 반응 중에 방출하거나 흡수하는 열 발열 과정(계에서 주위로 열이 방출)에 대한 ΔH는 음(ΔH < 0) 흡열 과정(주위에서 계로 열이 흡수)에 대한 ΔH는 양(ΔH > 0) ΔH = H (생성물) – H (반응물)

18 열화학 반응식 00C, 1 atm에서 얼음 1mole이 녹아 물이 될 때 흡수한 열 에너지는 6.01 kJ
H2O (s) H2O (l) ΔH = 6.01 kJ/mol ΔH는 음수인가 양수인가? 계가 열을 흡수 흡열 ΔH > 0

19 CH4 (g) + 2O2 (g) CO2 (g) + 2H2O (l)
250C, 1 atm에서 1mole의 메테인(CH4)이 연소될 때 방출하는 열은 kJ CH4 (g) + 2O2 (g) CO2 (g) + 2H2O (l) ΔH = kJ/mol ΔH는 음수인가 양수인가? 계가 열을 방출 발열 ΔH < 0

20 열화학 반응식(thermochemical equation)
화학량론적 계수(stoichiometric coefficients)는 항상 물질의 몰수에 의존. H2O (s) H2O (l) ΔH = 6.01 kJ/mol 열화학 반응식(thermochemical equation) 화학반응식은 질량 관계뿐만 아니라 엔탈피 변화도 보여 줌. 열화학 반응식을 쓸 때 모든 반응물과 생성물에 대해서 물리적 상태를 표시. H2O (s) H2O (l) ΔH = 6.01 kJ/mol H2O (l) H2O (g) ΔH = 44.0 kJ/mol 2. 열화학 반응식의 각 변에 n을 곱하면, ΔH도 n배 만큼 변화. 2H2O (s) H2O (l) ΔH = 2 x 6.01 = 12.0 kJ 3. 역반응으로 나타낸 때 ΔH의 부호도 변화. H2O (l) H2O (s) ΔH = kJ/mol

21 열화학 반응식 열화학 반응식(thermochemical equation): 화학 반응식과 함께 엔탈피 변화도 보여 주는 식
열화학 반응식을 쓸 때 모든 반응물과 생성물에 대해서 물리적 상태를 표시 열화학 반응식의 각 변에 n을 곱하면, ΔH도 n배 만큼 변화 3. 역반응으로 나타낸 때 ΔH의 부호도 변화 H2O (s) H2O (l) ΔH = 6.01 kJ/mol H2O (l) H2O (g) ΔH = 44.0 kJ/mol 2H2O (s) H2O (l) ΔH = 2 x 6.01 = 12.0 kJ H2O (l) H2O (s) ΔH = kJ/mol

22 ΔH와 ΔU의 비교 소듐 금속과 물의 반응 생성물 중 하나가 수소 기체. 대기 속으로 들어가기 위해서 공기를 밀어냄
생성물 중 하나가 수소 기체. 대기 속으로 들어가기 위해서 공기를 밀어냄 반응 결과로 생성된 에너지의 일부는 대기압(P)에 대항하여 어느 정도 부피(DV)의 공기를 밖으로 밀어내는 일에 사용됨 내부 에너지의 변화 온도가 25°C이고, 용액의 작은 부피 변화를 무시, 1.0 atm, 298 K에서 수소 기체 1 mol의 부피는 24.5 L, -P ΔV = L·atm 즉, 2.5 kJ 즉, ΔU ≒ ΔH

23 이상기체의 등온 과정에서의 ΔH와 ΔU T p1 p2 등압 과정에서의 ΔH와 ΔU P V1 V2 등적 과정에서의 ΔH와 ΔU V p1 p2

24 기체상 반응에서 내부 에너지를 계산하는 또 다른 방법
일정한 온도에서 이상 기체라고 가정

25 6.5 열계량법 열계량법(calorimetry): 열량계를 이용하여 화학 반응의 열 변화를 측정하는 방법
열량계(calorimeter): 실험실에서 물리적, 화학적 과정에 나타나는 열 변화 측정하기 위해 특별하게 고안한 밀폐된 용기 비열: 어떤 물질 1 g의 온도를 1 ℃ 올리는 데 필요한 열량으로 단위는 J/g·℃, 세기성질 열용량(heat capacity, C): 일정한 양의 물질을 온도 1 ℃ 올리는 데 필요한 열량을 말하며 단위는 J/ ℃, 크기성질

26 C = m x s , C는 열용량, m은 물질의 질량, s는 비열
어떤 물질의 비열과 열용량 사이의 관계 C = m x s , C는 열용량, m은 물질의 질량, s는 비열 어떤 물질의 비열과 양을 알면, 시료의 온도 변화(Δt )로부터 그 과정에서 흡수 또는 방출하는 열량(q) 계산 가능. q가 양의 값이면 흡열 과정 q가 음의 값이면 발열 과정 q = m x s x Δt q = C x Δt Δt = t최종 – t초기

27 일정부피 열계량법 연소열 측정에 사용 강철 용기에 질량을 알고 있는 시료를 넣고 약 30 atm의 산소로 채워 측정
시료를 전기적으로 점화, 물의 온도 변화를 측정함으로써 연소 반응에서 생성된 열을 정확하게 계산 반응 과정에서 열의 출입이 없기 때문에, 계의 열 변화(q계)는 0 q열량계를 계산하기 위해, 열량계의 열용량(C열량계)과 온도 변화가 필요 C열량계는 연소열이 정확히 알려져 있는 물질을 태워서 보정 C열량계가 결정되면, 그 열량계는 다른 물질의 연소열을 측정하는 데 사용

28 일정 압력 열계량법 비연소 반응의 열량 변화를 측정하는 데 사용 압력이 일정하므로, 이 과정에 대한 열 변화(q반응)는
엔탈피 변화(ΔH)와 동일 q계 = q물 q열량계 + q반응 q계 = 0 q반응 = - (q물 + q열량계) q물 = m x s x Dt q열량계 = C 열량계 x Δt 일정 압력에서의 반응 ΔH = q반응 열의 출입이 없음=단열

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30 C6H12O6 (s) + 6O2 (g) 6CO2 (g) + 6H2O (l) ΔH = -2801 kJ/mol
생활속의 화학 백색 지방 세포, 갈색 지방 세포 및 비만의 잠재적 치유법 C6H12O6 (s) + 6O2 (g) CO2 (g) + 6H2O (l) ΔH = kJ/mol 1 cal = J 1 Cal = 1000 cal = 4184 J 지방 세포 백색 지방 세포 (white fat cell, WFC) 에너지 저장 갈색 지방 세포(brown fat cell, BFC) 지방분자 연소

31 6.6 표준 생성 엔탈피와 표준 반응 엔탈피 어떤 물질에 대한 엔탈피의 절대값을 측정하는 방법은 없음
다만 임의의 기준에 대한 상대적인 값만을 구할 수 있음. 모든 엔탈피 표현식에 대한 기준점을 표준 엔생성 엔탈피 (standard enthalpy of formation, ΔHf0) 표준 생성 엔탈피(Standard enthalpy of formation, ΔHf0) : 1atm에서 각 원소로 부터 1mole의 화합물을 생성 할 때 열의 변화 표준 상태(standard state): 1 atm에 있는 원소들 위첨자 “ ° ”는 표준 상태(1 atm)의 조건이라는 뜻 아래첨자 “f”는 생성(formation)을 의미 가장 안정한 상태에 있는 모든 원소들의 표준 생성 엔탈피는 0 ΔHf0(O2) = 0 ΔHf0 (C, 흑연) = 0 ΔHf0 (O3) = 142 kJ/mol ΔHf0 (C, 다이아몬드) = 1.90 kJ/mol

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33 표준 반응 엔탈피(ΔH반응0) 계산 1 atm에서 진행되는 어떤 반응의 엔탈피 표준 생성 엔탈피를 이용해 계산할 수 있음 m과 n은 반응물과 생성물의 화학량론적 계수 aA + bB cC + dD ∑nΔHf0 (생성물) = ∑ mΔHf0 (반응물) - ΔH반응0 ΔH반응0 = [ ] - [ + dΔHf0(D) cΔHf0 (C) aΔHf0 (A) [bΔHf0 (B)

34 ΔHf0 를 구하는 두가지 방법 1) 직접법 원소로부터 쉽게 합성할 수 있는 화합물의 반응 엔탈피로 부터 구함
표준 상태에서 탄소(흑연)와 산소 분자가 표준 상태에 있는 이산화 탄소로 될 때의 반응 엔탈피를 측정 흑연과 산소는 안정한 동소체이므로 ΔHf0 (C, 흑연)와 ΔHf0 (O2, g)는 0.

35 헤스의 법칙(Hess’s Law) : 2) 간접법 많은 화합물은 원소로부터 직접 합성할 수 없음
ΔHf0를 헤스의 법칙을 이용하여 계산 헤스의 법칙(Hess’s Law) : 화학 반응이 일어날 때 엔탈피 변화는 그 반응이 한 단계로 일어나든 여러 단계로 일어나든 동일 엔탈피가 상태 함수이므로 ΔH는 초기 상태와 최종 상태에만 의존 (즉, 반응물과 생성물의 종류에만 의존)한다는 사실에 기초 흑연에서 일산화 탄소(CO)의 표준 생성 엔탈피 2번째 식을 거꾸로

36 생활속의 화학 폭탄먼지벌레가 자신을 지키는 방법
C6H4(OH)2 (aq) + H2O2 (aq) C6H4O2 (aq) + 2H2O (l) ΔH 0 = ? C6H4(OH)2 (aq) C6H4O2 (aq) + H2 (g) ΔH 0 = 177 kJ/mol H2O2 (aq) H2O (l) + ½O2 (g) ΔH 0 = kJ/mol H2 (g) + ½ O2 (g) H2O (l) ΔH 0 = -286 kJ/mol ΔH 0 = – 286 = -204 kJ/mol 발열

37 6.7 용해열과 묽힘열 용해열 용질이 용매에 녹으면 상당량의 열을 흡수하거나 방출
용해 엔탈피(enthalpy of solution, ΔH용해0 ): 어떤 용질이 어떤 용매에 녹을 때 방출하거나 흡수하는 열량 ΔH용해 = H용액 – H성분 H용액이나 H성분은 측정할 수 없으나, 그 차이인 ΔH용해 는 일정 압력 열량계로 쉽게 결정 ΔH용해 는 흡열 과정에서 양의 값을, 발열 과정에서 음의 값

38 고체 NaCl이 물에 녹을 때의 용해열 용해 과정을 두 단계로 생각 고체 내의 Na+와 Cl- 이온들이 서로 분리되어 기체 상태로 변화 격자에너지 고체 이온 결합 화합물 1 mol을 기체 이온으로 완전히 분리시키는 데 필요한 에너지 2. 기체” Na+와 Cl- 이온이 물 속에 들어가는 수화과정 수화열(heat of hydration, ΔH수화) 수화 과정에 관련된 엔탈피 변화

39 헤스의 법칙을 적용 ΔH용해 는 격자 에너지(U)와 수화열(ΔH수화) 두 가지의 합

40 묽힘열 용매를 더 가해서 용질의 전체 농도를 낮출 때, 대개 열이 발생하거나 흡수 묽힘열(heat of dilution)
묽힘 과정에 관련된 열 변화 용해 과정이 흡열 과정이고, 그 용액이 더 묽어진다면, 더 많은 열이 주위로부터 용액에 흡수 용해 과정이 발열 과정이라면 묽힐 때 더 많은 열을 방출