개념 한 쪽
화학평형은 순방향과 역방향의 반응 속도가 균형을 이루어 계의 조성이 변하지 않는 상태를 말한다. 평형계는 온도, 압력, 농도 등 외부 조건이 바뀌면 그 변화를 상쇄하는 방향으로 반응이 이동하여 새로운 평형에 도달한다는 성질을 보인다.
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출제기준 단원 「화학평형」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 화학법칙 명칭 판별 | 1 | 평형 이동 원리를 설명하는 법칙 이름을 고르는 능력을 묻는다 |
| 연소 반응량 계산 | 1 | 화학반응식의 계수비와 분자량을 이용한 생성물 몰수 계산을 묻는다 |
| 기체 상태량 환산 | 1 | 이상기체 상태방정식을 이용해 한 상태의 부피를 다른 상태로 환산하는 계산을 묻는다 |
화학평형 상태에서는 순반응과 역반응의 속도가 균형을 이루어 계의 조성이 시간에 따라 변하지 않는 상태를 의미한다. 이 상태에 외부에서 온도, 압력, 농도 같은 변화를 가하면 시스템은 그 변화를 최소화하려는 방향으로 평형을 이동시킨다.
온도가 변하면 흡열·발열 방향으로 평형이 이동한다는 성질이 나타난다. 예로 온도를 높이면 열을 흡수하는 방향으로 반응이 이동한다는 설명이 해당 원리를 보여준다.
압력 변화는 기체 반응에서 부피가 줄어드는 쪽으로 평형을 이동시키는 효과를 낸다. 압력을 높이면 부피가 줄어드는 방향으로 반응이 이동한다는 기술이 질문 자료에 제시되어 있다.
농도 변화에서는 농도가 증가한 쪽의 소모를 통해 변화를 상쇄하려고 반응이 진행한다는 일반적 원리가 적용된다. 이 전체 원리를 요약하는 법칙은 르샤틀리에의 법칙으로, 평형 이동의 기본 명제로 취급된다.
프로판(C3H8) 11g을 완전연소시킬 때 생성되는 이산화탄소 몰수를 구하는 대표 계산을 보인다. 먼저 프로판의 분자량은 12×3 + 1×8 = 44g/mol이므로 11g은 11 ÷ 44 = 0.25mol이다. 연소 반응식 C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O에서 프로판 1몰당 CO2 3몰이 생성되므로 0.25 × 3 = 0.75mol의 CO2가 생성된다는 결과를 얻는다.
기체 상태 변화 문제의 대표 계산도 제시한다. 주어진 상태 P1V1/T1 = P2V2/T2 공식을 이용하여 온도는 절대온도(K)로 변환하고 값을 대입하여 표준상태 부피를 구한다는 절차를 따른다. 예시로 P1=0.5atm, V1=10L, T1=293K와 P2=1atm, T2=273K를 대입하면 V2 ≈ 4.65L이 된다는 계산을 통해 단계별 처리 방법을 명확히 한다.
11g의 프로판(C3H8)을 완전연소시키면 몇 몰(mol)의 이산화탄소(CO2)가 생성되는가? (단, C, H, O 의 원자량은 각각 12, 1, 16 이다.)
정답 ② · 프로판의 분자량은 C3H8=12×3+1×8=44g/mol이다. 11g은 11/44=0.25mol이며, 연소반응식 C3H8+5O2→3CO2+4H2O에서 프로판 1몰당 CO2 3몰이 생성되므로 0.25×3=0.75몰의 CO2가 생성된다.
프로판 1몰 연소 시 이산화탄소 3몰이 생성되므로 몰비를 곱하여 계산한다.
0℃, 1atm하에서 22.4L의 무게가 가장 적은 기체는 어느것인가?
정답 ① · 0℃, 1atm에서 22.4L는 기체 1몰의 부피이므로 무게는 분자량과 같다. 질소(N2)=28, 산소(O2)=32, 아르곤(Ar)=40, 이산화탄소(CO2)=44이므로 분자량이 가장 작은 질소가 무게가 가장 적다.
동일 조건에서 기체 부피가 같으면 몰수도 같으므로, 분자량이 가장 작은 기체가 무게가 가장 적다.
화학반응에서 정반응과 역반응의 속도가 같아지는 상태를 화학평형(chemical equilibrium)이라 한다. 이 화학 평형에 영향을 끼치는 인자는 온도, 압력 및 농도인데 평형상태에 놓여 있는 반응계의 온도, 압력, 농도를 변화시키면 그 변화에 대하여 영향을 적게 받는쪽으로 반응이 진행된다. 이것을 무슨 법칙이라하는가?
정답 ④ · 평형상태의 계에 온도, 압력, 농도 등의 조건 변화를 가하면 그 변화를 상쇄하는 방향으로 반응이 진행되어 새로운 평형에 도달한다는 원리를 르샤틀리에의 법칙이라 한다. 보일의 법칙과 샤를의 법칙은 기체의 압력·부피·온도 관계, 아레니우스는 산염기·반응속도 이론과 관련된 법칙으로 서로 다르다.
평형 상태의 계에 변화를 가하면 그 변화를 상쇄하는 방향으로 반응이 진행되어 새로운 평형에 도달한다.
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