6 장 에너지와 화학반응 에너지의 본질 에너지의 보존 열용량 에너지와 엔탈피 열화학적 표현 화학반응의 엔탈피 변화 결합에너지

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1 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

2 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.

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

4 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

5 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.

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

7 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.

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

9 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).

10 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.

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

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

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

14 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

15 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

16 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

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

18 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

19 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

20 열용량 물질 c (J g-1 °C-1) cm (J mol-1 °C-1) Elements
C (graphite) Al(s) Fe(s) Cu(s) Au(s) Compounds NH3(ℓ) H2O(ℓ) H2O(s) CCl4(ℓ) CCl2F2(ℓ) Common solids wood concrete 0.88 glass granite

21 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 = g (0.451 J g-1 °C-1)(55−22)°C q = 7442 J = +7.4 kJ + 부호: E 가 계(철)에 첨가된다

22 열용량 505.0°C, 215 g 의 구리 조각을 kg 의 물(T = 23.4 °C)에 담갔다. 물과 구리 조각이 평형에 도달했을 때의 최종 온도는? (cCu = 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) = (T최종 – 505.0) ( )T최종= T최종= 32.7°C (주목: T최종 은 Thot 와 Tcold 사이에 있다)

23 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

24 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

25 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 = J 주위로부터 계로 이동한 열: q계 = J ΔE계 = q계 + w계 ΔE계 = J J = J

26 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

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

28 얼음과 녹음 얼음(또는 용융)동안 물질은 에너지를 잃지만 (또는 얻지만) 온도는 일정하게 유지된다. 예:
온도 (°C) 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

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

30 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

31 열화학적 표현식 ΔH = qP 를 균형화학 반응식에 추가.
CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(g) ΔH° = − kJ CH4(g) + 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(ℓ) ΔH° = − 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)

32 열화학적 표현식 테르밋 반응은 많은 열을 발생시킨다:
2 Al + Fe2O3 → Al2O Fe ΔH° = – kJ 일정한 압력에서 10.0 g 의 Al 이 과량의 Fe2O3 와 반응할 때 얼마의 열이 방출되는가 ? nAl = g / g/mol = mol Al 2 Al ≡ 1 ΔH° = – kJ qp = mol Al – kJ 2 mol Al = –158 kJ

33 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.

34 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) Cl(g) HCl(g) 흡열 ΔH= +678 kJ/mol 발열 ΔH= -862 kJ/mol

35 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

36 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).

37 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

38 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) CO2(g) H2O(ℓ) q반응 + q통 + q물 = 0 q통 = CcalΔT = 895 J°C-1 (29.12 – 22.15)°C = J q물 = m c ΔT = 751 g (4.184 J g-1 °C-1)(29.12 – 22.15)°C = x 104 J

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

40 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)

41 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 ) = g (3.90 J g-1 °C-1)(41.6 − 22.0)°C = 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 = mol 1 mol 24.31 g = 또는 ΔH° = – 466 kJ ΔH 1 mol Mg –19.57 kJ mol

42 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.

43 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) = kJ 4 CO2(g) → 4 CO(g) + 2 O2(g) ΔH = –2(–566.0 kJ) = kJ

44 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) CO(g) 다음의 자료로부터 이 반응의 ΔH 를 구하시오. C(graphite) + O2(g) CO2(g) ΔH = −393.5 kJ 2 CO(g) + O2(g) CO2(g) ΔH = −566.0 kJ 상태표시를 생략하면

45 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 O2 → 2CO2 2(−393.5) = −787.0 −1 x (B) 2CO2 → 2CO + O −1(−566.0) = 2C + 2O2 + 2CO2 → 2CO2 + 2CO + O −221.0 2 C + O2 → 2 CO ΔH° = −221.0 kJ

46 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° = kJ CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g) ΔH° = −41.2 kJ CH4(g) + H2O(g) CO(g) + 3 H2(g)ΔH° = kJ A B C 상태표시 생략

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

48 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) H2O(ℓ) ΔH° = − kJ 물의 생성반응은: H2(g) + ½ O2(g) 1H2O(ℓ)ΔHf° =− kJ 1 f = 생성(formation)

49 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) ) = K 에서 ΔHf° (Br2(g) ) ≠ K 에서

50 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 C2H4(g) ethylene C2H6(g) ethane −84.68 C2H5OH(l) ethanol −277.69 H2O(g) water vapor − H2O(l) liquid water − NaF(s) sodium fluoride − 부록 J (25°C) 참고 대부분 음의 값 (생성은 E 방출), 그러나 양의 값이 될 수도 있다. 물리적 상태가 변하면, ΔHf° 도 변한다.

51 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) = (0) − (−46.11) – (−74.85) = 255 kJ