화학 반응과 에너지
① 반응열(Q) : 화학 반응이 일어날 때 방출되거나 흡수되는 열량
․화학 반응이 일어날 때 열을 방출하는 반응
․반응 물질의 에너지 합>생성 물질의 에너지 합
․주위의 온도가 올라간다.
․생성 물질이 반응 물질보다 더 안정하다.
․연소 반응, 중화 반응, 금속과 산의 반응, 진한 황산을 묽히는 반응, 수산화나트륨의 용해 반응
․화학 반응이 일어날 때 열을 흡수하는 반응
․반응 물질의 에너지 합<생성 물질의 에너지 합
․주위의 온도가 내려간다.
․반응 물질이 생성 물질보다 더 안정하다.
․식물의 광합성, 열분해 반응, 전기 분해 반응, 질산 암모늄의 용해 반응
② 엔탈피(열함량) : 물질이 지니고 있는 고유의 에너지
③ 반응 엔탈피(⊿H)＝생성 물질의 엔탈피의 합－반응 물질의 엔탈피의 합
④ 반응 엔탈피(⊿H)와 반응열(Q)은 크기가 같고 부호가 반대이다.
ex1) 다음은 우리 주변에서 에너지 변화를 이용한 예이다. 발열 반응과 흡열 반응으로 분류해 보자.
(1) 더운 여름에는 마당에 물을 뿌린다.
(2) 주머니 난로는 철가루의 산화 반응을 이용한 것이다.
(3) 어느 도시에서는 쓰레기 매립장에서 발생하는 가스를 난방에 이용하려는 계획을 추진하고 있다.
(4) 냉찜질 주머니는 질산암모늄의 용해 반응을 이용한 것이다.
① 열화학 반응식 : 화학 반응이 일어날 때 출입하는 열에너지를 화학 반응식에 함께 나타낸 식
② 반응열은 물질의 상태에 따라 달라지므로 반드시 물질의 상태를 표시하여야 한다.
H2(g)＋1/2O2(g) → H2O(g), ⊿H＝－242kJ
H2(g)＋1/2O2(g) → H2O(l), ⊿H＝－286kJ
③ 반응열의 크기는 반응 물질과 생성 물질의 양에 비례한다.
H2(g)＋1/2O2(g) → H2O(g), ⊿H＝－242kJ
2H2(g)＋O2(g) → 2H2O(g), ⊿H＝－484kJ
④ 역반응이 일어날 때에는 반응열의 크기는 같고 부호는 반대가 된다.
2H2(g)＋O2(g) → 2H2O(g), ⊿H＝－484kJ
2H2O(g) → 2H2(g)＋O2(g), ⊿H＝484kJ
ex2) 포도당 C6H12O6(s) 45g이 완전히 연소하면 이산화탄소와 물이 생성되면서 705kJ의 열이 발생한다. 이 반응을 열화학 반응식으로 나타내어라.
ex3) 탄소 1.0g이 완전 연소하여 이산화탄소로 될 때 32.8kJ의 열이 발생한다.
(1) 탄소 1몰이 연소되는 반응의 열화학 반응식을 쓰시오.
(2) 위의 열화학 반응식을 이용하여 0℃, 1기압에서 CO2 5.6L가 생성될 때 발생하는 열량을 구하시오.
ex4) 23g의 사산화이질소 N2O4(g)가 분해되어 이산화질소 NO2(g)로 될 때 14.3kJ의 열을 흡수한다. 이 반응을 열화학 반응식으로 나타내어라.
① 생성열 : 화합물 1몰이 성분 홑원소 물질로부터 생성될 때의 반응열
H2(g)＋1/2O2(g) → H2O(g), ⊿H＝－242kJ
㉠ 표준 생성열(⊿Hf°) : 표준 상태(25℃, 1기압)에서의 생성열
㉡ 표준 생성열을 그 물질의 상대적 엔탈피 값으로 사용할 수 있다.
② 분해열 : 화합물 1몰이 성분 홑원소 물질로 분해될 때의 반응열로 분해열은 생성열과 그 크기가 같고, 부호만 반대이다.
H2O(g) → H2(g)＋1/2O2(g), ⊿H＝242kJ
③ 연소열 : 물질 1몰이 완전 연소할 때 방출하는 열량
C3H8(g)＋5O2(g) → 3CO2(g)＋4H2O(l), ⊿H＝－2220kJ
④ 용해열 : 용질 1몰이 다량의 물에 용해될 때의 반응열
H2SO4(l)＋물 → H2SO4(aq), ⊿H＝－82kJ
⑤ 중화열 : 산의 H＋ 1몰과 염기의 OH－ 1몰이 중화하여 H2O(l) 1몰이 생성될 때 발생하는 열량
HCl(aq)＋NaOH(aq) → NaCl(aq)＋H2O(l), ⊿H＝－58kJ
H＋(aq)＋OH－(aq) → H2O(l), ⊿H＝－58kJ
ex5) 오존의 생성 반응에 대한 열화학 반응식은 다음과 같다. 오존의 분해열(⊿H)은 몇 kJ/mol인가?
3O2(g) → 2O3(g) ⊿H＝＋285.4kJ
ex6) 수소와 염소를 반응시켰더니 14.6g의 염화수소 기체가 생성되면서, 18.56kJ의 열량을 방출하였다. 이 반응의 열화학 반응식을 쓰고, 염화수소 기체의 표준 생성열을 구하시오.
① 비열 : 물질 1g의 온도를 1℃ 올리는 데 필요한 열량(J/g․℃)
② 열용량 : 열량계의 온도를 1℃ 올리는 데 필요한 열량(J/℃)
열용량(C)＝비열(c)×질량(m)
㉠ 간이 열량계 : 화학 반응에서 발생하는 열량을 스티로폼 컵 속의 물이 모두 흡수한다고 가정한다.
Q＝m×c×⊿t
㉡ 봄베 열량계 : 화학 반응에서 발생하는 열량은 열량계 속의 물과 봄베가 얻은 열량과 같다.
Q＝Q물＋Q봄베＝m물×c물×⊿t＋C봄베×⊿t
ex7) 스티로폼 컵 열량계에서 25℃의 물 100g에 수산화나트륨 2g을 용해시켰더니 용액의 온도가 30℃로 증가하였다. 수산화나트륨의 용해열은 얼마인가? (단, 용액의 비열은 4.2J/g․℃라고 가정한다.)
ex8) 봄베 열량계에서 나프탈렌(C10H8) 1.435g을 연소시켰더니 열량계 안에 들어 있는 물 2000g의 온도가 20.17℃에서 25.84℃까지 올라갔다.
(1) 열량계의 열용량이 1.80kJ/℃라면 나프탈렌 1g이 연소할 때 방출하는 열량은 몇 kJ인가?
(2) 나프탈렌 1몰이 연소할 때 방출하는 열량은 몇 kJ인가?
① 헤스의 법칙(총열량 불변의 법칙) : 화학 변화가 일어나는 동안 출입한 반응열은 반응 전의 물질의 종류와 상태 및 반응 후의 물질의 종류와 상태가 같으면 반응 경로에 관계없이 항상 일정하다.
ex9) 다음 열화학 반응식을 이용하여 1기압, 25℃에서 물의 몰 기화열(kJ/mol)과 기화열(kJ/g)을 구하여라.
2H2(g)＋O2(g) → 2H2O(g), ⊿H＝－484kJ
2H2(g)＋O2(g) → 2H2O(l), ⊿H＝－572kJ
ex10) 다음의 열화학 반응식을 이용하여 메탄의 생성열(⊿H)을 구하시오.
C(s)＋O2(g) → CO2(g), ⊿H1＝－395kJ
2H2(g)＋O2(g) → 2H2O(l), ⊿H2＝－572kJ
CH4(g)＋2O2(g) → CO2(g)＋2H2O(l) ⊿H3＝－890kJ
① 결합 에너지 : 두 원자 사이의 공유 결합 1몰을 끊어서 중성 원자로 만드는 데 필요한 에너지
ex) H2(g) → 2H(g), ⊿H＝＋435kJ/몰
① 결합이 끊어질 때에는 에너지가 흡수되고, 결합이 생성될 때에는 에너지가 방출된다.
② ⊿H＝반응 물질의 결합 에너지의 합－생성 물질의 결합 에너지의 합
ex1) 다음 반응의 반응열(⊿H)을 결합 에너지를 이용하여 구하여라.
H2(g)＋Br2(g) → 2HBr(g) ⊿H＝?
H2, Br2, HBr의 결합 에너지는 각각 436kJ/mol, 193kJ/mol, 366kJ/mol 이다.
ex2) 다음은 메탄의 연소 반응식을 나타낸 것이다.
CH4(g)＋2O2(g) → CO2(g)＋2H2O(g), ⊿H＝?
(1) 메탄의 연소열(⊿H)을 다음에 주어진 결합 에너지를 이용하여 구하시오. (C－H 결합, O＝O 결합, C＝O 결합, H－O 결합의 결합 에너지는 각각 413kJ/mol, 498kJ/mol, 728kJ/mol, 463kJ/mol이다.)
(2) 메탄의 연소열을 다음에 주어진 표준 생성 엔탈피를 이용하여 구하시오. (CH4, O2, CO2, H2O의 생성 엔탈피는 각각 －75, 0, －396, －245kJ/mol 이다.)
정답
[1] 물질의 변화와 엔탈피
ex1) (1) 흡열 (2) 발열 (3) 발열 (4) 흡열
ex2) C6H12O6(s)＋6O2(g) → 6CO2(g)＋6H2O(l),
⊿H＝－2820kJ
ex3) (1) C(s)＋O2(g) → CO2(g), ⊿H＝－393.6kJ
(2) 98.4kJ
ex4) N2O4(g) → 2NO2(g), ⊿H＝57.2kJ
ex5) ⊿H＝－142.7kJ/mol
ex6) ⊿H＝－46.4kJ/mol
ex7) ⊿H＝－42kJ/mol
ex8) (1) 40.3kJ/g
(2) 5158.7kJ/mol
ex9) 44kJ/mol, 2.44kJ/g
ex10) ⊿H＝－77kJ
[2] 반응열과 결합 에너지
ex1) ⊿H＝－103kJ
ex2) (1) ⊿H＝－660kJ
(2) ⊿H＝－811kJ