Chapter 12

(aseous Chemical Equilibrium

v 평형계 (equilibrium)

v 평형상수의 표현 (equilibrium constant)

v 평형상수의 결정

v 평형상수의 응용

v 외부조건의 변화가 평형계에 미치는 영향

평형(Equilibrium)

• 평형이란 ?

2HI(g) H2(g) + I2(g)

2HI(g) → H2(g) + I2(g)

H2(g) + I2(g) → 2HI(g)

520°C에서 위 평형에 대해 연구 하려면, 순수한 HI 나 수소와 요오드의 혼합물을 520°C 의

용기에 넣고 잘 밀봉한 다음, 부분압력이 일정하게 될 때까지 일정기간이 지난 후, 시료를

분취한다. 분취한 시료는 평형에 도달한 평형계이다.

←→

12.1 N2O4-NO2 Equilibrium System

N2O4(g) → 2NO2(g)

2NO2(g) → N2O4(g)

42ONP

2NOP1.561.561.561.300.800.00

0.220.220.220.350.601.00

100806040200시간(초)

1122.0

56.1)( 2

ON

2NO

42

2 ===P

PK

N2O4(g) 2NO2(g)←→

평형계의 예

2HI(g) H2(g) + I2(g)

P0(atm) 0.200 0.000 0.000

∆P(atm) -0.040 +0.020 +0.020 Expt. 1

Peq(atm) 0.160 0.020 0.020

P0 (atm) 0.100 0.100 0.100

∆P(atm) +0.140 -0.070 -0.070 Expt 2

Peq(atm) 0.240 0.030 0.030

→←

016.0)24.0(

03.003.0)16.0(

02.002.0)( 222

HI

IH 22 =×

=×

=×

P

PP

HIP2HP 2IP

22 IHHI 22 PPP ∆−=∆−=∆

일반적으로 평형에서 어떠한 경우든지 특정 온도에서화학종들의 부분압력의 비:

는 일정하며 K 와 같다. K값은 온도에 의존하고, 원래의 압력, 총 압력 혹은 부피 등에는 무관하다.

평형상수의 개념

2HI

IH

)(22

P

PP ×

12.2 The Equilibrium Constant(K) Expression

v 기체들만 포함된 경우

v 가스뿐 아니라 고체와 액체가 포함된 경우

v 수용액

v 평형상수들 간의 관계

평형상수의 표현 : 기체들만 포함된 경우

aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g)

•생성물은 분자로 반응물은 분모로 ! 계수는 지수로.

•기체 화학종 각각의 부분압력으로 단위는 기압(atm)으로.

←→

K =(PC )c × (PD)d

(PA )a × (PB)b

ba

dc

cba

dc

pBADC

KPPPP

K][][][][

,)()()()(

BA

DC

××

=××

=

CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)

Heterogeneous Equilibria

고체와 액체는 평형상수에 표시하지 않는다. (평형에서, 고체/액체가 존재할

때) 고체와 액체를 더하거나 제거하는 것은 평형에 어떠한 영향도 주지

않는다.

←→

K = PCO2

CO2(g) + H2(g) CO(g) + H2O(l)←→

constatmPPP

PPK :103, 3

OHHCO

OHCO'2

22

2 −×=×

×=Q

22 HCO

CO

PPP

K×

=

평형상수의 표현 : 수용액

용질은 몰농도로; 용매는 표시하지 않는다.

Ag(s)+2H+(aq)+NO3-(aq) Ag+(aq)+NO2(g)+H2O(l)←

→

K =[Ag+ ]× PNO2

[H+]× [NO3−]

12.3 Determination of K

N2O4(g) 2NO2(g)

100°C 평형에서,

K = (2.3)2/0.50 = 11

←→

atm 3.2 atm, 50.0242 NOON == PP

ex) 12.4

2HI(g) H2(g) + I2(g)

at 520C, 초기 =1.00 atm., at equil. =0.10atm.

평형에서

HIP 2HP

atmPatmPP 80.0)10.0(20.1,10.0 HIHI 22=−===

016.0)80.0(

01.001.0)( 22

HI

IH 22 =×

=×

=P

PPK

12.4 Application of K

일반적으로 평형상수, K 가 크다면 평형은 오른쪽으로치우쳐 있어서 생성물이 잘 생성됨을 뜻한다. 만약 K 가작다면, 평형의 위치는 반응물이 많은 쪽으로 치우쳐 있다.

• Direction of Reaction(반응의 방향)

• Extent of Reaction (반응의 정도)

반응의 방향 : 반응지수 QReaction Queotient(반응지수), Q

aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g)

‘실제 압력의 비’인 반응지수, Q 와 평형에서의 비, K를

• Q < K 라면, 정반응이 진행된다.

• Q > K 라면, 역반응이 진행된다.

• Q = K, 라면 이 계는 이미 평형에 도달하여 아무런 변화도 일어나지

않는다.

←→

ba

dc

PPPP

Q)()()()(

BA

DC

××

=

반응의 방향 결정의 예

2HI (g) H2(g) + I2(g) K = 0.016

• PHI = 0.100 atm, H2 와 I2는 없다고 가정

Q = 0, 반응계는 오른쪽으로 이동한다.

• 라고 가정

Q = (0.1x0.1)/(0.1)2 = 1, 반응계는 왼쪽으로 이동한다.

←→

PHI = PH2= PI2

= 0.100 atm

Extent of Reaction : Equil. Partial Pressure

초기 HI = 0.100 atm : 모든 화학종의 평형에서의 압력은? 단, K=0.016

2HI(g) H2(g) + I2(g)P0 0.100 0.000 0.000

∆P -2x +x +xPeq 0.100-2x x x

←→

x2

(0.100 − 2x)2 = 0.016 ; x

0.100 − 2x= 0.13 ; x = 0.010

PHI = 0.080 atm ; PH2= PI2

= 0.010 atm

12.5 Effect of Changes in Conditions on the Equilibrium System

v 기체화학종의 첨가 혹은 제거

v 압력의 증가(부피의 변화)

v 온도의 변화

Le Châtelier’s principle: 평형상태에 있는 계가 농도, 압력, 혹은

온도 변화에 의해 교란이 일어나면, 이 계는 가능한 한 이 변화의

효과를 부분적으로 상쇄하는 방향으로 이동 한다.

Adding or Removing a Gaseous Species

2HI(g) H2(g) + I2(g)

• H2 나 I2를 첨가하면 ; 역반응이 일어난다; PHI 증가, PH2 , PI2

감소

• H2 를 제거하면 ; HI 중 일부가 분해하여 H2 를 더 생산하려고

한다 ; 정반응이 일어난다; PHI 감소, PH2 , PI2 증가

←→

Compression or Expansion

압축의 즉각적인 효과는 분자의 농도의 증가이다. 이를 상쇄하기

위해서는 기체상 분자의 수를 감소시키는 반응이 진행된다.

압축 팽창

N2O4(g) 2NO2(g) ← →

N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) → ←

H2(g) + I2(g) 2HI(g) 영향 없음

←→

←→

←→

change in Temperature

온도의 증가는 흡열반응을 일으킨다.

∆H T증가 T감소

N2O4(g) 2NO2(g) +58.2 kJ → ←

N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) -92.4 kJ ← →

만약 정반응이 흡열반응이면 온도의 증가는 정반응(K의 증가)을, 정반응이 발열반응이면 온도의 증가는 역반응(K의 감소)을진행시킨다.

←→

←→

the vant’s Hoff equation : Effect of Tempt. on K

N2 (g) + 3H2 (g) =2NH3(g) ∆H°=-92.2 kJ, K=6x105 at 25 °C

at 200 °C

K=4x102 at 200 °C (감소함)But, Kinetics : Haber Process

]11

[ln211

2

TTRH

KK

−°∆

=

5.7]373

1298

1[

/31.8/92200

106ln 5 −=−

⋅−

=× KKKmolJ

molJK

주요 개념

v K의 표현

v K의 계산

v K 와 반응의 방향, 반응의 예측

v르샤틀리에의 원리 : 온도, 압력(팽창, 수축)의 변화가평형에 미치는 영향