개념 한 쪽
반응엔탈피는 반응 전후의 엔탈피 차이로 정의되며, 온도 변화에 따라 보통 달라질 수 있다. 온도에 따른 변화는 생성물과 반응물의 비열 차이(△Cp)에 의해 결정되며, △Cp가 0이면 온도에 무관하게 엔탈피가 일정하게 유지된다.
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출제기준 단원 「반응엔탈피」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 평형 농도 계산형 | 1 | 평형상수 대입으로 평형 농도와 남은 물질 농도를 구하기 |
| 평형 상수 관련 자료 판별 | 1 | 평형상수 결정에 필요한 자료와 거리가 먼 항목을 고르기 |
| 평형과 동역학 구분 | 1 | 평형상수와 반응속도의 개념적 차이를 판별하기 |
반응엔탈피(△Hr)는 반응물과 생성물의 엔탈피 차이를 나타내는 값으로, 특정 온도에서의 반응의 열효과를 기술한다. 온도가 변하면 각 물질의 엔탈피도 변하므로 일반적으로 △Hr도 온도에 따라 달라질 수 있다.
온도에 따른 △Hr의 변화율은 생성물들의 총 비열과 반응물들의 총 비열 차이인 △Cp에 비례한다. 이 관계는 키르히호프 법칙(Kirchhoff's law)으로 표현되며, 수식적으로는 d(△Hr)/dT = △Cp라는 관계가 성립한다.
따라서 △Cp가 0이면 d(△Hr)/dT = 0이 되어 반응엔탈피는 온도에 무관한 상수가 된다. 반대로 △Cp가 양이면 온도가 증가할 때 △Hr가 증가하고, △Cp가 음이면 온도 증가에 따라 △Hr가 감소한다는 원리로 이해한다.
실전 문제는 △Cp의 부호나 값이 주어졌는지 확인하고, △Cp=0인지 여부에 따라 △Hr의 온도 의존성을 판단하는 방식으로 접근한다. 특히 온도 변화가 주어졌을 때 △Cp=0이면 주어진 엔탈피 값을 그대로 다른 온도로 이관하면 된다.
문제: A→R 반응에서 0℃(298K)에서의 반응엔탈피가 -1.8×10^4 cal로 주어지고 A와 R의 비열이 같다면 100℃(373K)에서의 △Hr373은 얼마인가?
풀이: 비열 차이가 같다는 뜻은 △Cp = 0이다. 키르히호프 관계 d(△Hr)/dT = △Cp에 의해 △Cp = 0이면 △Hr은 온도에 무관한 값이 된다. 따라서 △Hr373 = △Hr298 = -1.8×10^4 cal이다.
대표 판단 요령: 문제에 "비열이 같다" 또는 △Cp=0이라는 조건이 있으면 온도 변경에 관계없이 △Hr을 그대로 쓴다.
C5H5CH3+H2→C5H5+CH4의 틀루엔과 수소의 반응은 매우 빠른 반응이며 생성물은 평형 상태로 존재한다. 틀루엔의 초기 농도가 2mol/L, 수소의 초기 농도가 4mol/L이고 반응을 900K에서 진행 시켰을 때 반응 후 수소의 농도는 약 몇 mol/L인가? (단, 900K에서 평형상수 Kp=227 이다.)
정답 ③ · 주어진 반응 C6H5CH3 + H2 ⇌ C6H5 + CH4 에서 몰 수 변화가 없으므로 Kp = Kc = Ky 입니다. 초기 농도에서 x만큼 반응이 진행되어 평형에 도달했다고 가정할 때, 평형 상태의 농도는 [톨루엔]=2-x, [수소]=4-x, [벤젠]=x, [메탄]=x 가 됩니다.
평형상수 Kc=227에 초기농도 대입해 평형농도 x를 구한 후 수소 농도 4-x를 계산.
어떤 반응의 화학평형 상수를 결정하기 위하여 필요한 자료로 가장 거리가 먼 것은?
정답 ④ · 반응의 화학 평형 상수는 평형 상태에서 물질들의 활동도 관계를 나타냅니다. 평형 상수와 온도에 따른 평형 상수의 변화를 알아내기 위해서는 각 물질의 표준 생성 엔탈피, 열용량(깁스-헬름홀츠 식 활용), 그리고 화학 양론 계수가 필수적입니다.
평형 상수 결정에는 열역학적 데이터(엔탈피, 열용량)와 화학양론이 필요하나, 중기압은 평형 상수와 무관하다.
반응 평형에 대한 설명 중 옳지 않은 것은?
정답 ③ · 문항은 반응 평형에 대한 설명들 가운데 틀린 것을 찾는 문제이다. 평형상수 계산에는 각 물질의 생성 깁스 자유에너지 정보가 필요하고, 온도 의존성을 다루려면 생성 엔탈피와 열용량 정보가 필요하다.
평형상수는 반응의 최종 조성(열역학적 한계)을 알려주지만, 반응 속도(동역학)와는 무관하다.
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