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화학평형 2 LeChatelier 원리어떤 생성물을 만들 때 평형상수를 보고 반응을 선택하지만, 생각만큼 간단치 않다. 예로, H₂, N₂, NH₃의 평형상수는 그 값이 크지 않아 암모니아 형성이 그리 유리해 보이진 않는다. 그럼에도 불구하고 암모니아는 중요한 물질이기 때문에 상업적으로 제조되고 있다. 반응을 조절할 수 있는 변수는 무엇이며, 이들 변수가 평형에 미치는 영향은 무엇인가? LeChatelier 원리는 다음과 같이 요약된다. 평형상태의 계는 변화에 대응한다. 평형상태의 계에 스트레스가 가해지면, 스트레스를 최소화하는 방향으로 평형이 재배열된다. 화학평형에서의 스트레스는 주로 세 가지이다: 농도변화, 압력변화, 온도변화. 반응물 또는 생성물 농도의 변화가 평형에 미치는 영향화학적 평형상태에 이르면 화학종들.. 2024. 8. 19.
화학평형 화학평형정반응과 역반응테이블 위에 물 한 컵이 있다. 밤새 방치하면 물은 증발하여 양이 줄어든다. 컵의 입구를 막고 같은 실험을 반복하면 물은 컵 안에 그대로 남는다. 닫힌계(입구를 막은 컵)에서는, 물과 수증기 사이에 동적평형(dynamic equilibrium)이 이루어진다. 평형상태에서는, 물 분자가 액체표면을 떠나는 속도와 액체표면으로 되돌아가는 속도가 같다. 증발속도는 액체분자의 에너지 분포로 결정된다. 충분한 운동에너지를 가진 분자들은 액체의 분자 간 인력을 극복하고 증기상으로 탈출한다. 따라서 물의 온도가 일정하면, 증발속도는 일정할 것이다. 응결속도는 어떨까? 기체상의 분자들은 액체표면과 부딪힐 때마다 액체상으로 돌아가 기회를 갖는다. 기체분자가 액체표면과 부딪히는 속도는 기체분자수 또는 .. 2024. 8. 18.
화학반응속도론 3 온도와 속도식품보관을 위해 냉동과 냉장이 중요한데, 온도를 낮추면 위험한 미생물의 성장을 포함하여 여러 화학반응의 속도가 느려진다. 예로, 우유를 실온과 냉장고에 각각 보관하였을 때, 우유에 신냄새가 나는데 걸리는 시간은 분명하게 판단된다: 실온의 우유는 더 빠르게 상한다. 왜 온도는 반응속도에 영향을 미치며, 이 영향을 어떻게 정량화할 수 있을까? 반응분자에 온도가 미치는 영향분자운동론과 같은 분자운동모델을 이용하여 속도에 미치는 온도의 역할을 연구할 수 있다. 기체상의 두 분자 사이에 화학반응이 일어났다고 가정하자. 분자운동론에 의하면, 분자는 단지 충돌을 통해서만 서로 반응한다고 한다. 따라서 두 분자가 반응하기 위해서는 먼저 충동해야 한다. 하지만 분자가 충동한다고 모두 화학반응을 일으킬 거라고 .. 2024. 8. 16.
화학반응속도론 2 – 반감기 적분반응속도식반응물의 농도는 시간에 따라 변하기 때문에, 반응이 좀 진행된 후에는 반응속도식으로 농도를 예측하기 쉽지 않다. 때문에, 농도를 시간함수로 표현한 방정식이 필요하다. 새로운 방정식을 적분반응속도식(intrgrated rate law)이라 하며, 반응속도식에서 유도된다. 적분반응속도식이 합리적인 이유는 다음과 같다: 어떤 특정 시간에 반응계의 모든 농도를 알고, 반응속도가 시간에 따라 어떻게 변화하는지 안다면, 조금 후의 농도도 예측할 수 있다. 적분반응속도식은 반응차수에 의존한다. 몇 가지 반응차수를 갖는 일반적인 적분반응속도식을 안다면, 자료를 모델과 비교하여 반응속도식을 결정할 수 있다. Math Connections적분반응속도식은 반응속도식을 적분하였기 때문에 붙여진 이름이다.우선, 가.. 2024. 8. 15.
화학반응속도론 화학반응의 속도어떤 물질이 소비되는 것보다 생성되는 것이 더 빠를 때, 이 물질은 축적될 것이다. 이 내용을 정량적으로 논하기 위해, 화학반응속도론(chemical kinetics)을 두 가지 측면에서 다룬다. 반응속도란? 그리고 반응속도를 어떻게 측정하는가? 반응속도우리가 집으로부터 58 km 이동하는데 걸릴 시간이 1시간 일 때, 평균 속력은 58 km/hr이다. 평균 속력은 (이동에 소요된 시간)에 대한 (이동한 거리)이다. 이동거리의 범위는 0 km에서 58 km이며, 이동거리의 변화는 △d로 표시한다. 시간 t의 범위는 0 hr에서 1hr이며, 경과시간은 △t로 표시한다. 그렇다면, 평균 속력을 화학반응속도론으로 어떻게 풀어낼까? 화학반응속도는 반응시간에 대한 반응진행정도이다. 우리는 이동거리 .. 2024. 8. 14.
엔트로피와 열역학 제2법칙 자발성가솔린 등의 탄화수소 분자는 산소와 쉽게 반응하여 이산화탄소와 물을 생성한다. 하지만 역반응은 일어나지 않는다; 수증기와 이산화탄소는 공기 중에 늘 존재하지만, 서로 반응하여 가솔린을 만들진 않는다. 우리는 이 반응의 방향을 자연스럽게 알고 있다. 무엇이 이런 방향을 제시하는가? 그럼, 화학반응이 실제 일어날지를 예측할 수 있는 양적모델을 어떻게 만들 수 있을까? 자발적 과정일반적으로 우리는 자연의 방향성을 직감으로 알고 있으며, 어떤 일이 “그냥 발생하지”라고 생각한다. 외부의 어떤 개입이 없이도 과정이 진행되는데, 이것을 자발적 과정이라 한다. 하지만 자발적과 비자발적 반응의 차이가 늘 분명하지는 않다. “자발성”을 과정이 빠른 것으로 잘못 이해하지도 한다. 자발적 과정 몇 가지는 매우 빠르나,.. 2024. 8. 13.
에너지와 화학 2 엔탈피차가운 물체는 뜨거운 물체에 의해 데워진다. 이해는 가지만 과학적으로 세심한 검토가 필요하다. 예로, 1 mol의 옥테인(C8H18, octane)이 타면 이산화탄소(기체)와 물(액체)이 만들어진다. 그리고 일정부피조건에서는 5.54 x 103 kJ의 열이 발생한다. 일정압력조건에서는 5.48 x 103 kJ의 열이 발생한다. 두 값은 차이는 30 kJ로 작지만, 수천 몰의 옥테인이 타게 되면, 이 차이는 안전에 매우 중요한 값이 될 수도 있다. 엔탈피의 정의일정부피조건일 때, 내부에너지변화는 열의 흐름(q)과 같다.△E = q + w기체가 팽창할 때, 기체가 주위에 한 일은 P△V이다. 팽창된 기체가 계라면, 기체에 행해진 일은 -P△V이다. 따라서 w = -P△V이다.△E = q - P△V△E .. 2024. 8. 12.
에너지와 화학 에너지에너지의 형태에너지는 크게 퍼텐셜에너지와 운동에너지로 나뉜다: 퍼텐셜에너지(potential energy)는 물체의 상대적 위치와 관련된다. 예로, 롤러코스터는 첫 번째 슬로프 위로 끌어올려지면 퍼텐셜에너지를 갖는데, 지상에서 상대적으로 높은 위치로 올라가면 중력이 롤러코스터를 아래로 끌어당기기 때문이다. 하지만 물체의 위치와 관련된 에너지는 중력에 의한 것만은 아니다. 전기를 띤 전하 사리의 인력과 척력에 의해서도 퍼텐셜에너지가 생긴다. 반면 운동에너지(kinetic energy)는 운동과 관련된 에너지로, 롤러코스터가 첫 번째 슬로프에서 아래로 향할 때, 퍼텐셜에너지는 운동에너지로 바뀐다. 롤러코스터는 거시적 수준에서 다룬 에너지의 예이고, 미시적 수준에서는 원자와 분자가 될 것이다. 원자와 분.. 2024. 8. 11.
분자와 물질 2 응축상태 - 액체액체와 고체의 중요한 차이점은 원자나 분자의 움직임이 액체가 더 크다는 것이다. 고체의 경우, 각 입자의 평균위치는 크게 변하지 않는다. 반면, 액체의 경우 움직임이 자유롭기 때문에, 끊임없이 움직인다. 액체는 물질을 녹일 수 있는 용매로 쓰이는데, 용해된 입자들은 액체처럼 움직임 이 가능해진다. 이로 인해 용해된 입자들은 용해된 다른 물질을 만나, 화학반응을 일으킬 수 있다. 이 장에서는 액체의 물리적 성질에 대해 알아본다. 증기압소나기 후의 물웅덩이는 물이 끓지도 않았는데 사라진다. 물웅덩이의 증발은 증기압으로 알려진 현상으로, 증기압(vapor pressure)은 밀폐된 용기 안의 순수액체와 평형을 이룬 물질의 기체상 압력이다. 특정 온도에서의 특정 물질의 특성이다. 웅덩이는 더운 .. 2024. 8. 9.
분자와 물질 응축상태 - 고체대부분의 원소는 표준온도와 압력에서 고체상태이다. 응축상태(condensed phase=고체 +액체)는 왜 안정할까? 해답은 원자들과 분자들 사이에 작용하는 힘에 있으며, 응축상의 구조를 통해 서도 그들의 안정성을 이해할 수 있다. 미시적 관점에서 볼 때, 고체나 액체가 기체보다 원자나 분자들로 더 촘촘하게 채워져 있다. 원자나 분자가 고체상태에서 배열되는 방식으로, 고체를 두 가지로 분류할 수 있다. 대부분의 물질은 규칙적이고 반복되는 기하학배열을 갖는데, 이들 물질을 결정질 고체 (crystalline solid)라 한다. 무작위 배열을 가진 고체를 비결정질 고체(amorphous solid)라 한다. 규칙적인 배열이 연구하기가 더 쉽기 때문에, 결정질 고체가 더 많이 알려져 있다. .. 2024. 8. 8.
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