열화학 5

이 모든 것들은 화학반응과 어떻게 연관되어 있는가?

에너지의 성질

There is a fact, or if you wish, a law, governing natural phenomena that are known to date. There is no known exception to this law—it is exact so far we know. The law is called conservation of energy [it states that there is a certain quantity, which we call energy that does not change in manifold changes which nature undergoes]. That is a most abstract idea, because it is a mathematical principle; it says that there is a numerical quantity, which does not change when something happens. It is not a description of a mechanism, or anything concrete; it is just a strange fact that we can calculate some number, and when we finish watching nature go through her tricks and calculate the number again, it is the same.

- Richard Feynman on his undergraduate lecture of physics -

에너지(Energy): 일을 하거나 열을 발생시킬 수 있는 능력

일(Work): 힘에 반하여 물체를 움직이게 하는 것( = N·m = kg·m/s2·m = kg·m2/s2)

열(Heat): 온도 차에 의한 에너지의 전달

온도(Temperature): 입자의 무질서한 움직임의 척도. 계의 운동에너지와 관련 됨

열역학(Thermodynamics): 에너지와 에너지의 변환에 대한 연구

열화학(Thermochemistry): 에너지, 에너지의 변환과 화학 반응 사이의 관계에 대한 연구

에너지의 성질 운동 에너지와 퍼텐셜 에너지

운동 에너지(Kinetic energy): 물체의 움직임이 가지고 있는 에너지

2

21 mvEk =

퍼텐셜 에너지(Potential energy): 물체의 위치나 화학적 조성이 가지고 있는 에너지

운동 에너지 ↔ 퍼텐셜 에너지

에너지의 단위 2

2

11s

mkgJ ×= 1 cal = 4.184 J

에너지의 성질 운동에너지와 퍼텐셜에너지

dQkQEel

21=

정전기 퍼텐셜 에너지(Electrostatic potential energy): 전하를 띤 입자 사이에 발생하는 에너지. 원자와 분자의 거동에서 작용하는 에너지 중 가장 중요하게 역할. 즉 화학에서 다루는 에너지 중 가장 중요한 형태. 퍼텐셜 에너지

화학 에너지(Chemical energy): 화학결합에 저장되어 있는 에너지. 퍼텐셜 에너지

열 에너지(Thermal energy): 온도 때문에 물질이 가지는 에너지. 운동 에너지의 일종

에너지의 성질 계와 주위

2H2(g) + O2(g) → H2O(g) + energy (heat)

계(System): 관심을 가지고 있는 부분 주위(Surroundings): 그 밖의 모든 것

우주 = 계 + 주위

화학반응에서 계는 반응물과 생성물이다.

닫힌계(Closed system): 에너지의 교환은 일어나나 물질의 교환은 일어나지 않는 계

고립계(Isolated system): 에너지와 물질의 교환이 일어나지 않는 계

에너지의 성질 에너지 이동: 일과 열

에너지(Energy): 일을 하거나 열을 발생시킬 수 있는 능력

일과 열을 통해 에너지가 이동(변환)

일 = 힘 x 거리

Ex) 5.4 kg의 볼링공을 지면으로부터 1.6 m 높이로 들어 올렸다가 떨어뜨렸다. (a) 볼링공을 들어올릴 때, 그것의 퍼텐셜 에너지는 어떻게 되는가?

(c) 공이 떨어진 다음 그것은 운동 에너지를 얻는다. 공이 지면에 부딪히는 순간에 (b) 에서 수행된 일이 모두 운동 에너지로 전환된다고 가정하면, 공이 지면을 때리기 바로 직전의 속도는 얼마인가?

증가 (b) 그것을 들어 올릴 때 사용한 일의 양은 J 단위로 얼마인가?

열역학 제1법칙 내부 에너지

열역학 제1법칙(First law of thermodynamics): 우주 에너지의 총량은 일정하다.

∆Euniverse = 0

내부에너지(Internal Energy (E)): 계를 구성하는 성분의 운동 에너지와 퍼텐셜 에너지의 총합

어느 순간에 E의 값은 알 수 없으나 변화가 일어났을 때 그 변화량(∆E)은 구할 수 있다.

∆E = Ef-Ei

= 내부 에너지의 변화량

열역학 제1법칙 내부 에너지

∆E = q + w

heat heat

w < 0 w > 0

work done on

q < 0 q > 0

for engineers, sometimes ∆E = q - w'

heat heat

work done on

열역학적 양의 표현 수: 변화의 양 부호 : 흐름의 방향 (항상 계의 관점) 단위(J)

열역학 제1법칙 내부 에너지

A(g) + B(g)

C(s)

Ex) 실린더와 피스톤이 장착된 장치 안에 들어 있는 기체 A(g) 와 B(g) 가 반응하여 고체 생성물 C(s) 를 생성한다.

A(g) ＋ B(g) → C(s) 이 반응에서 계는 1150 J의 열을 주위에 빼앗긴다. 기체들이 반응해서 고체를 형성할 때, 피스톤은 아래쪽으로 움직인다. 일정 대기압하에서 기체의 부피가 감소하면서 주위는 계에 대해 480 J의 일을 수행한다. 계의 내부 에너지 변화는 얼마인가?

대기압(1 atm)

대기압(1 atm)

분말 알루미늄과 Fe2O3의 반응(서밋 반응)은 격 렬하게 진행하여 열을 방출하고, Al2O3와 용융 철을 생성한다.

+ 생성물

ammonium cyocyanate와

barium hydroxide octahydrate를 실온에서 혼합하면 온도가 내려간다.

열역학 제1법칙

q < 0 q > 0

heat heat

발열(exothermic) 과정 흡열(endothermic) 과정

발열 과정과 흡열 과정

열역학 제1법칙

상태 함수(State function): 상태 함수는 계의 조건이나 상태를 (온도, 압력 등의 관점에서) 명시함으로써 결정되는 계의 성질. 상태 함수의 값은 단지 계의 현재 상태에만 의존하며, 계가 그 상태에 도달하기 위해 취한 경로에는 의존하지 않는다.

상태 함수

내부 에너지(E)와 그 변화량(∆E)은 상태 함수

엔탈피(Enthalpy) PV 일

Zn(s) ＋ 2 H＋(aq) → Zn2+(aq) ＋H2(g)

∆E = q + w = ?

VP

hAPhF

∆=

∆××=∆×=

×=

일

일

거리힘일

AFP = A

FP =

h∆

PV 일(PV work) - 화학 반응과 관련된 흔한 형태의 일. - 기체가 외부에 행한 일(팽창) - 기체가 받은 일(압축)

∆V = V최종 - V초기 = A x ∆h

기체가 주위에 한 일

w = -P∆V, ∆E = q - P∆V

위와 같은 반응에서 열의 출입을 쉽게 표현할 수 있는 방법은 없을까 ?

엔탈피(Enthalpy) 엔탈피

Enthalpy H = E + PV

state functions state function

∆H = ∆E + ∆(PV) = ∆E + P∆V + V∆P 일정 압력하에서 PV-일 만 있다면 ∆H = ∆EP + P∆V = qP + w + P∆V = qP - P∆V + P∆V = qP

∆H = qP

일정 압력에서(일은 PV-일 만 있을 때) 계의 엔탈피 변화량(∆H)은 계에서 열의 출입량과 같다.

화학 반응은 많은 경우에 대기압 아래에서 일어나므로 ∆H가 ∆E 보다 많이 쓰인다.

엔탈피(Enthalpy) 엔탈피

∆H > 0 흡열반응(endothermic reaction)

∆H < 0 발열반응(exothermic reaction)

Ex) 대기압 하에서 다음 과정은 발열, 흡열? (a) 얼음 조각이 녹는다. (b) 뷰테인 (C4H10) 1 g이 충분한 양의 산소 속에서 완전 연소하여 CO2와 H2O를 생성한다.

반응 엔탈피

반응 엔탈피(Enthalpy of reaction), 반응열(Heat of reaction) : 반응에 수반되는 엔탈피의 변화량(∆Hrxn = H생성물 - H반응물)

2 H2(g) ＋O2 (g) → 2 H2O(g) ∆H ＝－483.6 kJ

반응 엔탈피 엔탈피의 성질

1. 엔탈피는 크기성질이다.

2. 정반응의 ∆H와 역반응의 ∆H는 크기는 같고 부호는 반대이다.

3. ∆H는 반응물과 생성물의 상태에 의존한다.

CH4(g) ＋2 O2(g) → CO2(g) ＋2 H2O(l) ∆H ＝－890 kJ

CO2(g) ＋2 H2O(g)

∆H3 ＝ -802 kJ

∆H ＝ 88 kJ

Ex) 메테인 가스 4.50 g을 일정 압력에서 연소시킬 때, 얼마의 열이 방출되는가?

250 kJ의 열을 방출

열계량법 열용량과 비열

열계량법(Calorimetry): 열 흐름을 측정하는 방법 열량계(Calorimeter): 열 흐름을 측정하는 기기

열용량(Heat capacity): 물체의 온도를 1 K (또는 1 °C) 상승시키는 데 필요한 열의 양 몰열용량(Cm , Molar heat capacity): 물질 1 mol의 열용량 비열(Cs , Specific heat capacity): 물질 1 g의 열용량

Ex) 물의 몰열용량은? (물의 비열=4.18 J/g·K)

열계량법 일정 압력 열계량법

Ex) 1.0 M HCl 50 mL와 1.0 M NaOH 50 mL를 커피컵 열량계에 섞으니 용액 온도가 21.0°C에서 27.5°C로 증가하였다. 반응 엔탈피는? (열량계의 열량 손실은 무시. 용액의 부피는 100 mL. 용액의 밀도는 1.0 g/mL. 비열은 4.18 J/g·K.)

HCl(aq) + NaOH(aq) → H2O(l) + NaCl(aq)

반응열(∆H)의 측정 ∆H = qp

열계량법 통열계량법(일정 부피 열계량법)

내부에너지의 변화량(∆Ε)의 측정 ∆Ε = q + w = q - P∆V = qV

통열량계(Bomb calorimter)

Ex) 메틸하이드라진 (Methylhydrazine, CH6N2) 은 액체 로켓 연료로 일반적으로 사용된다. 메틸하이드라진을 산소로 연소시키면 N2(g), CO2 (g) , H2O(l) 를 발생시킨다. 2 CH6N2(l) ＋5 O2 (g) → 2 N2(g) ＋2 CO2 (g) ＋6 H2O(l) 메틸하이드라진 4.00 g을 통열량계에서 연소시켰을 때 열량계의 온도가 25.00°C에서 39.50°C로 증가하였다. 1 mol CH6N2의 연소에서 발생한 열은? (열량계의 열용량은 7.794 kJ/°C)

Hess의 법칙

Germain Henri Hess (Swiss-born Russian Chemist, 1802-1850)

H: 상태 함수

“어떤 반응이 한 단계로 진행하거나, 여러 단계를 거쳐 진행하거나 그 반응의 ∆H는 같다.”

Ex) C가 CO2로 변할 때의 연소 엔탈피는 －393.5 kJ/mol C이고, CO로부터 CO2로 변할 때의 연소 엔탈피는 －283.0 kJ/mol CO이다. C로부터 CO로 변할 때의 연소 엔탈피는?

생성 엔탈피

표준 생성 엔탈피[Standard enthalpy of formation (∆Hof)]: 표준 상태에서 화합물의 구성 원

소(원소 형태)로부터 그 화합물이 생성되는 데 수반된 엔탈피 변화량(o : 표준 상태, 1 bar)

생성 엔탈피[Enthalpy of formation (∆Hf)]: 화합물의 구성 원소(원소 형태)로부터 그 화합물이 생성되는 데 수반된 엔탈피 변화량

*기체에 대한 표준 상태의 정의는 1 bar (1 atm ＝ 1.013 bar) 인데, 1 atm (기압) 보다는 약간 낮은 압력이다. 대부분의 경우 이 차이는 표준 엔탈피 변화에서 큰 차이를 나타내지 않는다.

생성 엔탈피 생성 엔탈피를 이용한 반응 엔탈피의 계산

CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l) ∆Hor ?

C(s) + 2H2(g) → CH4(g) ∆Hof = -75 kJ/mol

CH4(g) → C(s) + 2H2(g) ∆Ho(a) = 75 kJ/mol

∆Ho(b) = 0

C(s) + O2(g) → CO2(g) ∆Hof = ∆Ho

(c) = -394 kJ/mol

(1/2)O2(g) + H2(g) → H2O(l) ∆Hof = -286 kJ/mol

O2(g) + 2H2(g) → 2H2O(l) ∆Ho(d) = 2 x ∆Ηo

f = -572 kJ

∆Hor

= ∆Ho

(a) + ∆Ho(b) + ∆Ho

(c) + ∆Ho(d)

= - ∆Ho

f{CH4(g)} - 2∆Hof{O2(g)}

+ ∆Hof{CO2(g)} + 2∆Ho

f{H2O(l)} = -891 kJ

∆Hor = Σnp∆Ho

f(생성물) - Σnr∆Hof(반응물)

생성 엔탈피 생성 엔탈피를 이용한 반응 엔탈피의 계산

Ex) 1 mol의 벤젠[C6H6 (l)] 이 연소하여 CO2(g) 와 H6O(l) 를 만드는 반응의 표준 엔탈피 변화를 계산하시오.

Ex) 1.00 g 메테인, 1.00 g 프로페인, 1.00 g 벤젠이 연소할 때 생성되는 열량을 비교하시오

CH4(g): (-891 kJ/mol)(1 mol/16.0 g) = - 55.7 kJ/g

*일반적으로 1 g 탄화수소의 연소로부터 얻을 수 있는 에너지는 대략 40과 50 kJ 사이

식품과 연료

연료값(Fuel Value): 1 g의 물질이 연소할 때 방출하는 에너지

식품

글루코스: 탄수화물의 구성 성분 중 하나

연료값 = -(-2803 kJ/mol)(1 mol/180.2 g) = 15.9 kJ/g

식품 섭취 후 남는 에너지는 ( )으로 저장 ? (무엇이 가장 효율적인가?)

식품과 연료

연료값(Fuel Value): 1 g의 물질이 연소할 때 방출하는 에너지

연료

An Inconvenient Truth