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발열반응
발열반응(發熱反應, Exothermic reaction)은 화학의 반응 과정에서 계가 열을 방출하는 반응이다. 계의 엔탈피는 감소하여 ΔH < 0 이다. 에너지가 주위에 쓰이는 반응이라고 해석할 수 있다. 계에서 주위로 일을 해 준 것이다. 그래서 결합이 형성되는 등에서 발열반응이 일어난다. 반대되는 개념은 흡열 반응이다.
발열반응을 통해 계는 엔탈피의 형태로 열을 주위로 방출하며, 주위는 엔탈피의 형태로 열을 얻게 된다. 여러번 사용하는 손난로에서 티오황산나트륨이 과포화 상태에서 고체로 응고할 때 생성되는 열이 이러한 발열 반응으로서, 대표적인 발열반응에는 기체가 액체로 응축될 때 발생되는 액화열, 액체가 고체로 굳어질 때 발생되는 응고열, 산과 염기의 반응을 통한 중화열, 연소 반응, 금속과 산의 산화-환원 반응 등 다수의 실온 내 반응이 포함된다. 예) 손난로를 흔들면 철가루와 산소가 결합해 따뜻해진다.
개요[편집]
발열반응은 열을 방출하는 화학반응으로, 원자핵 반응과 연소반응, 중화반응, 상온에서의 반응 대부분이 포함된다.
모든 물질들은 어느 정도의 에너지를 가지고 있다. 물질에 따라 큰 에너지를 가지고 있는 것도 있고 작은 에너지를 가지고 있는 것도 있다. 그런데 이러한 물질들은 영원히 그대로 머물러 있는 것이 아니라 주변 환경의 변화에 의해 반응을 일으켜 다른 물질을 만들어내기도 한다. 역시 반응물질과 생성물질 간에도 서로가 가지고 있는 에너지에 차이가 있으므로 그 차이만큼 에너지가 방출되기도 하고 흡수되기도 한다. 발열반응은 반응한 물질들의 에너지가 생성된 물질들의 에너지보다 더 커 그 차이만큼에 해당하는 에너지가 외부로 방출되는 반응이다.
예를 들어, 아버지와 어머니, 아이가 볼풀장에서 놀고 있다고 생각하자. 아버지가 바구니에 공을 40개 담아 들고 있고, 어머니가 또 다른 바구니에 공을 30개 담아 들고 있다고 생각하자. 아버지와 어머니는 공들을 아이에게 주려고 한다. 그런데 아이는 공이 60개밖에 들어가지 못하는 바구니를 가지고 있다. 그렇다면 아버지와 어머니가 가지고 있는 총 70개의 공들 중에서 60개만 아이의 바구니에 담아줄 수 있고, 나머지 10개의 공은 바깥으로 버려야 한다. 아버지와 어머니를 반응물질에 비유할 수 있고, 아이를 생성물질에 비유할 수 있다. 바구니 밖으로 버려지는 10개의 공은 발열반응에서 방출되는 에너지에 비유할 수 있다.
철가루의 산화반응에서는, 철과 산소가 반응물질이며 산화철이 생성물질이다. 철과 산소가 가지고 있는 에너지의 합이 산화철이 가지고 있는 에너지보다 크기 때문에 그 차이만큼의 에너지가 방출되는 것이다. 이때 방출되는 에너지의 대부분이 열에너지의 형태를 띠기 때문에 주변의 온도가 올라가며, 따라서 이를 발열반응이라고 부른다.
어떤 반응이 발열반응이라면 그 반응의 역반응은 반대로 흡열반응이 되고, 어떤 반응이 흡열반응이라면 그 반응의 역반응은 발열반응이 된다.
특징[편집]
등압이라고 치는 화학 반응에서는 dG=dH-TdS이므로 자발적 반응일 때, 즉 dG < 0 일 때, 엔트로피가 감소했다면 항상 발열 반응이다.
화학 평형의 관점에서 볼 때 온도를 내려주면 발열반응 쪽으로 정반응 우세가 된다.
발열 반응의 역반응은 흡열 반응이다. 대표적인 예시로 겨울에 사용하는 핫팩, 즉석밥, 전투식량 등이 있다.
발열 반응이 엔트로피가 증가하는 반응이라면 항상 자발적인 반응이다.
예시[편집]
발열반응은 반응 과정에서 열이 방출되는 반응을 말한다. 즉, 화학 반응이 일어날 때 주위 환경으로 열을 내보내는 것이다. 이러한 반응은 주위의 온도를 상승시키는 경향이 있으며, 예시로는 다음과 같은 반응들이 있다.
- 연소 반응 : 가장 흔한 발열반응의 예시로, 석탄, 나무, 석유 등이 산소와 반응하여 연소하는 과정에서 많은 열이 방출된다.
- 중화 반응 : 산과 염기가 반응하여 물과 염을 생성하는 과정에서도 열이 방출된다. 예를 들어, 염산과 수산화 나트륨이 반응하여 물과 염화 나트륨을 생성할 때 열이 발생한다.
- 산화 반응 : 철이 녹슬 때와 같은 산화 반응 역시 열을 방출한다.
발열반응의 대표적인 특징은 반응물의 에너지보다 생성물의 에너지가 낮다는 것이다. 이는 반응이 진행되면서 에너지가 외부로 방 출되기 때문에 발생한다. 이러한 이유로 발열반응은 종종 에너지 그래프에서 반응물이 높은 위치에 있고 생성물이 낮은 위치에 나 타난다.
흡열반응과 발열반응의 차이점[편집]
흡열반응과 발열반응의 가장 큰 차이점은 에너지가 이동하는 방향이다. 흡열반응은 에너지를 흡수하여 주변 환경의 온도를 낮추고, 발열반응은 에너지를 방출하여 주변 환경의 온도를 높인다. 이러한 에너지 이동은 화학 반응의 결과물의 안정성과 반응의 속도에도 영향을 미친다.
참고자료[편집]
- 〈발열 반응〉, 《위키백과》
- 〈발열반응〉, 《두산백과》
- 〈발열 반응〉, 《나무위키》
- 리아, 〈발열반응과 흡열반응의 원리와 차이점, 예시를 통한 깊이 있는 탐구〉, 《네이버 블로그》, 2024-06-20
같이 보기[편집]
