평형

가역 반응은 양방향으로 진행될 수 있습니다. 정반응은 생성물을 만들고, 역반응은 생성물을 다시 시약으로 돌립니다. 우리는 기호 $\rightleftharpoons$로 이를 나타냅니다.

폐쇄계(무엇도 들어오거나 나가지 않음)에서 반응이 동적 평형에 도달할 때는:

• 정반응 속도와 역반응 속도가 같습니다.
• 시약과 생성물의 농도가 일정하게 유지됩니다.

두 반응이 여전히 일어나지만 서로 상쇄되기 때문에 동적이라고 부릅니다. 폐쇄계가 필요하지 않으면 생성물이 빠져나가고 평형에 도달할 수 없습니다.

르 샤틀리에 원리(Le Chatelier's principle) says: if you change a system at equilibrium, the position of equilibrium moves to oppose (reduce) that change.

촉매는 평형 도달 속도를 빠르게 하지만, 평형 위치를 변화시키지 않습니다.

$K_c$로 shift 설명하기. At A level, "it opposes the change" is not enough; explain it with the constant. Take $\text{N}_2\text{O}_4(\text{g}) \rightleftharpoons 2\text{NO}_2(\text{g})$, where the forward reaction is endothermic and

• 농도 변화. 평형에서 $[\text{N}_2\text{O}_4] = 0.40$와 $[\text{NO}_2] = 0.20\ \text{mol dm}^{-3}$이므로, $K_c = 0.20^2/0.40 = 0.10$이다. 추가된 $\text{N}_2\text{O}_4$는 농도를 $0.70$까지 높인다. 그러면 $\dfrac{0.20^2}{0.70} = 0.057$이 되어, 이는 $K_c$보다 작다. 온도는 변하지 않았으므로 $K_c$은 여전히 $0.10$이다: 일부 $\text{N}_2\text{O}_4$이 $\text{NO}_2$로 전환되어 비율이 다시 $0.10$이 될 때까지 평형이 오른쪽으로 이동한다.
• 온도 변화. 온도를 높이면 흡열 방향, 여기서는 정반응이 유리된다. 이번에는 $K_c$ 자체가 변화하여 ($0.10$에서 약 $0.20$로), Mix가 새로운 값에 맞춰질 때까지 오른쪽으로 이동한다.

이러한 그래프 읽기와 그리기.

• 추가되거나 제거된 물질은 해당 순간에 수직으로 점프하며, 다른 선들은 점프하지 않는다.
• 점프 후 선들은 새로운 안정값으로 휘어지며 다시 평평해진다: 새로운 평형 상태이다.
• 변화는 화학방정식에 따른다: 여기에서 $[\text{NO}_2]$는 $[\text{N}_2\text{O}_4]$이 떨어지는 양의 두 배만큼 상승한다 (1 : 2).
• 온도 변화는 점프 없이 서서히 일어나는 변화만을 준다.
• 기체를 압축하여 압력을 증가시키면 모든 기체 선이 함께 상승하여 점프하는데, 이는 모든 농도가 함께 증가하기 때문이다. 이후 기체 분자 수가 적은 쪽으로 평형 이동이 따라온다.

흔한 실수.

• 반응물을 추가하면 "$K_c$이 증가한다"고 말하는 것. 온도가 변할 때만 $K_c$이 변화하며, 농도나 압력 변화는 평형의 위치를 이동시킨다.
• 시스템이 원래 농도로 돌아간다고 말하는 것. 이동은 변화의 일부만 상쇄할 뿐이다: 그래프에서 $[\text{N}_2\text{O}_4]$은 $0.40$가 아닌 $0.67$에서 끝난다.
• 촉매가 "더 많은 생성물을 준다"고 말하는 것. 동일한 평형 혼합물을 더 빨리 형성할 뿐이다.
• $\Delta H$의 부호를 확인하지 않고 온도 영향을 예측하는 것. 먼저 흡열 방향을 찾아야 한다.

평형에 있는 반응에서 평형 상수는 생성물과 반응물의 양을 연결합니다. 반응 $a\text{A} + b\text{B} \rightleftharpoons c\text{C} + d\text{D}$에 대해:

여기 대괄호는 $\text{mol dm}^{-3}$에서의 농도를 의미합니다.

해설 예제. 평형 상태인 혼합물 $\text{H}_2 + \text{I}_2 \rightleftharpoons 2\text{HI}$에는 $[\text{H}_2] = 0.20$, $[\text{I}_2] = 0.20$ 및 $[\text{HI}] = 1.6\ \text{mol dm}^{-3}$이 있습니다. $K_c$를 구하십시오.

(단위 없음, 농도의 지수가 위아래로 상쇄됨).

풀이 예시 (ICE 표). $1.00\ \text{mol}$의 $\text{H}_2$과 $\text{I}_2$를 각기 $1.00\ \text{dm}^3$ 용기에 밀봉하여 평형에 도달시켰을 때, $\text{H}_2$ 중 $0.20\ \text{mol}$가 남아 있다. ICE 표(초기 상태, 변화량, 평형 상태)를 작성하시오:

$0.80\ \text{mol}$의 $\text{H}_2$이 반응했으므로 $2\times0.80 = 1.60\ \text{mol}$의 HI가 생성되었습니다. $1.00\ \text{dm}^3$ 용기에서 농도는 몰수와 같으므로 $K_c = \dfrac{1.60^2}{0.20\times0.20} = 64$입니다.

기체 반응의 경우 농도 대신 분압을 사용합니다. 기체의 분압은 전체 압력 중 해당 기체가 담당하는 비율입니다. 몰분율(모든 몰수 중 해당 기체가 차지하는 비율)을 통해 구할 수 있습니다:

분압으로 표시된 상수는 $K_p$입니다.

해설 예제. 기체 혼합물이 총 압력 $200\ \text{kPa}$에서 $2.0\ \text{mol}$의 $\text{N}_2$과 $6.0\ \text{mol}$의 $\text{H}_2$을 포함하고 있습니다. 각 기체의 분압을 구하십시오.

총 $8.0\ \text{mol}$이 있으므로,

해설 예제 (수치적 $K_p$). $\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightleftharpoons 2\text{NH}_3$에 대한 평형 분압은 $p(\text{N}_2)=20$, $p(\text{H}_2)=40$ 및 $p(\text{NH}_3)=10\ \text{kPa}$입니다. 그러면

온도만 $K_c$ 또는 $K_p$의 값을 변경합니다. 농도나 압력을 변경하면 평형 위치는 이동하지만 상수는 변하지 않으며, 촉매를 추가하면 상수도 평형 위치도 모두 변하지 않습니다—단 평형 도달 속도가 빨라질 뿐입니다.

이 두 산업 공정은 르 샤틀리에의 원리를 사용하여 수율, 속도 및 비용을 균형 있게 선택합니다.

• 하버법은 암모니아를 제조합니다: $\text{N}_2 + 3\text{H}_2 \rightleftharpoons 2\text{NH}_3$(발열 반응). 약 $450\,°\text{C}$, $200\ \text{atm}$ 및 철 촉매를 사용합니다. 낮은 온도는 더 많은 암모니아를 주지만 속도가 너무 느리므로, 중간 온도는 타협점입니다.
• 콘택트법은 삼산화 황을 제조합니다: $2\text{SO}_2 + \text{O}_2 \rightleftharpoons 2\text{SO}_3$(발열 반응). 약 $450\,°\text{C}$, 거의 $1$–$2\ \text{atm}$ 및 산화 바나듐(V) 촉매를 사용합니다.

양성자란 단순히 $\text{H}^+$ 이온입니다. 브론스테드-로우리 이론은 양성자와의 상호작용에 따라 산과 염기를 정의합니다:

• 산은 양성자 공여체입니다($\text{H}^+$를 제공합니다).
• 염기는 양성자 수용체입니다($\text{H}^+$를 받음). 물에 용해되는 염기를 알칼리라고 합니다.

알아야 할 일반적인 산: 염산 ($\text{HCl}$), 황산 ($\text{H}_2\text{SO}_4$), 질산 ($\text{HNO}_3$), 아세트산 ($\text{CH}_3\text{COOH}$). 일반적인 염기: 수산화나트륨 ($\text{NaOH}$), 수산화칼륨 ($\text{KOH}$), 암모니아 ($\text{NH}_3$).

이는 농도보다는 물속에서 산이나 염기가 얼마나 완전히 분해되는지에 관한 것입니다.

• 강산 또는 강염기는 물에서 완전히 이온화됩니다(거의 모든 분자가 이온으로 분리됨).
• 약산 또는 약염기는 부분적으로만 이온화됩니다(대부분의 분자는 그대로 존재함).

The pH scale measures how acidic a solution is: pure water is pH 7, acids are below 7, and alkalis are above 7. A strong acid has a lower pH than a weak acid of the same concentration.

강산과 약산을 구분할 수 있는 방법은 다음과 같습니다:

• 활성 금속과의 반응: 강산이 더 빠르게 거품이 발생함.
• pH: pH 미터 또는 범지 indicator로 측정함.
• 전기 전도도: 강산이 더 잘 전달하며, 이는 더 많은 이온을 가지고 있기 때문입니다.

중화 반응은 산의 수소 이온(H⁺)이 염기의 수산화 이온(OH⁻)과 반응할 때 일어난다:

또한 산과 염기의 나머지 성분으로부터 염이 생성된다.

적정은 한 용액을 다른 용액에 떨어뜨려 pH를 추적하는 과정이다. 적정 곡선은 등점 근처에서 가파르고 거의 수직적인 급변 구간을 가진다. 정확한 형태는 각 반응물이 강산/강염기인지 약산/약염기인지에 따라 달라진다.

지시약을 선택할 때는 색이 변하는 구간이 이 가파른 급변 범위 내에 있도록 선택하라. 강산-강염기 적정에는 대부분 지시약이 사용 가능하지만, 약산-강염기 적정에는 높은 pH 범위에서 색이 변하는 지시약이 필요하다.

• 동적 평형을 다음 세 가지 포인트로 정의하십시오: 정반응 및 역반응 속도가 동일함, 농도가 일정함, 폐쇄 시스템임.
• 르 샤틀리에 원리 관련 질문에 대해서는 변화 내용, 평형 이동 방향, 그리고 그 이유를 명시하여 답하십시오. 촉매는 평형 위치를 이동시키지 않습니다(양쪽 반응 속도만 빠르게 함).
• $K_c$를 반응물 간의 곱으로 표기하되, 각 반응물의 계수를 지수로 사용하십시오. 상태 기호를 포함하여 생성물이 무엇인지 결정하십시오.
• 수율, 반응 속도 및 비용 사이의 타협점으로서 Haber/Contact 공정을 정당화하십시오 — 단순히 조건만 나열하지 마십시오.
• 브론스테드: 산 = 양성자 donate(공여), 염기 = 양성자 acceptor(수용); 쌍-query(쌍)는 $\text{H}^+$ 하나만큼 다릅니다.