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2021년 4월 30일 (금) 15:16 판
화학에너지(Chemical energy)는 물질마다 가지고 있는 분자들의 화학반응이나 원자 배열 등을 통해 만들어지는 에너지를 뜻한다. 물질의 화학반응이 일어나면 보존되어 있던 화학에너지는 다른 에너지로 변화하여 방출되거나 흡수된다.
개요
화학에너지는 화학 결합이나 물질에 가해진 화학 변화 때문에 방출되거나 흡수되는 에너지이다. 일반적으로 에너지를 내뿜는 화학 반응을 발열반응이라 하고, 에너지를 흡수하는 화학 반응을 흡열반응이라 한다. 열에 의한 화학 에너지의 변화가 대부분이긴 하지만 빛이나 전기 등 전자기파의 에너지에 의해서도 화학에너지가 변할 수 있다. 흔히 사용하는 리튬전지 등의 건전지도 축적된 화학 에너지를 전기에너지로 출력하여 사용하고 있는 예이다.[1]
특징
원자들 사이의 화학결합으로 공간의 배열 결과 물질 내에 저장된 잠재 에너지이며 핵 반응에너지에 비해 대략 100만 분의 1 정도의 작은 값을 가진다. 에너지가 높은 물질이 에너지가 낮은 물질로 변할 때는 에너지가 방출되며, 에너지가 낮은 물질이 에너지가 높은 물질로 변하기 위해서는 에너지를 흡수해야 한다. 일반적으로 화학 반응이 일어날 때 열에너지를 방출하는 것을 발열 반응이라고 하며, 흡수하는 것을 흡열 반응이라고 한다. 예를 들어 식물의 광합성은 태양의 빛을 받아 물과 이산화탄소를 이용하여 탄수화물을 합성하는데, 이는 빛에너지가 화학에너지로 전환하여 저장하는 과정이다. 탄수화물을 연소시키면 물과 이산화탄소로 분해되는데 이때 화학에너지는 열에너지로 방출된다. 석유 등의 화석 연료가 연소하는 과정에서는 화학 에너지가 빛과 열에너지로 전환된다.[2]
예시
화학에너지의 대표적인 예시인 전지는 전지 내부에 있는 화학물질의 화학에너지를 산화와 환원 반응으로 전기 에너지로 바꾸는 장치이다. 더불어 화학에너지의 예시에는 연료도 있다. 연료는 많은 화학에너지를 저장하고 있어서 석유, 휘발유, 석탄과 같은 연료를 통해 기계를 작동할 수 있게 된다. 석탄을 태워서 발전기를 가동하면 석탄이 가지고 있는 화학에너지는 발전기를 통해 전기에너지로 전환되는 것이고 석유로 난로를 때면 석유의 화학에너지는 열에너지로 전환되는 것이다. 연료의 화학에너지를 기계를 가동하고 전기를 생산하고 열을 발생시키는 등의 다른 에너지로 변환하여 사용한다.[3] 더불어 식물의 광합성은 태양의 빛을 받아 물과 이산화탄소를 이용하여 탄수화물을 합성하는데, 이는 빛에너지가 화학에너지로 전환하여 저장하는 과정이다. 탄수화물을 연소시키면 물과 이산화탄소로 분해되는데 이때 화학에너지는 열에너지로 방출된다.[4]
화학반응
화학반응은 물질 그 자체가 화학변화를 일으키거나, 또는 다른 물질과의 상호작용으로 화학변화를 일으키는 현상이다. 화학반응에서는 분자를 이루는 원자들의 재배치가 일어나며 화학결합이 일부 파괴되고 또한 일부 생성된다. 이때 반응하는 물질을 반응물질이라 하고, 반응 때문에 생긴 물질을 생성물질이라고 한다. 인공적인 화학 반응은 주로 의약품, 플라스틱 등 유용한 물질의 합성과 연소에 의해 에너지를 얻는 데 사용되며, 생체 내에서 일어나는 여러 가지 반응인 포도당의 산화, 단백질의 합성 등은 생명체를 유지하는 기능을 한다.[5]
화학법칙
- 화학량론 : 화학반응의 정량적인 처리는 질량 보존의 법칙과 원자론에 토대를 두고 있다. 탄소가 연소하여 이산화탄소가 되는 반응에 있어서 탄소 12g이 산소 32g과 반응하여 44g의 이산화탄소를 생성하게 된다. 이와 같은 반응식에서 반응 전후의 질량은 변하지 않으며, 또한 각각의 원자의 수도 역시 변하지 않는다.
- 에너지 보존의 법칙 : 화학반응에서는 열이 방출되기도 하고 주위로부터 반응계로 열이 흡수되기도 한다. 12g의 탄소가 1atm, 25℃에서 완전히 연소할 때 94kcal의 연소열이 발생한다. 이러한 열의 이동은 반응물질과 생성물질의 에너지 차이에 기인하고 화학반응에 있어서 에너지 보존의 법칙은 열역학에 의해 체계화되었다. 이를 사용하여 특정 화학반응의 반응열을 계산할 수 있고, 반응의 가능성을 예측하고 반응 조건을 조절할 수 있으며, 화학평형에 관한 정보를 얻을 수 있다.
- 화학반응 속도론 : 화학반응의 속도에 영향을 미치는 요인으로는 반응 물질의 농도, 반응계의 온도와 압력 등이 있다. 반응 속도가 반응 물질 농도의 n 제곱에 비례할 때 이를 n차 반응이라고 한다. NO의 분해 반응은 1차 반응으로 그 속도는 NO의 농도인 C에 비례한다. 반응시간에 따른 NO 농도의 변화는 c=coe와 같이 얻어진다. 반대로 반응 속도와 반응에 관여하는 물질의 농도 간의 관계를 측정함으로써 반응의 차수를 결정할 수 있으며, 이로부터 반응의 메커니즘을 규명할 수 있다. 화학반응이 시작되기 위해서는 하나 또는 그 이상의 화학결합을 파괴하여야 하며, 따라서 반응 물질은 어떤 최소한의 에너지 이상을 보유하고 있어야 한다. 이러한 최소한의 에너지를 활성화 에너지라고 하며, 반응 분자가 다른 분자들과의 충돌을 통해 얻는 에너지가 이를 초과할 때 반응이 일어날 수 있다.[5]
종류
- 치환반응 : 분자의 원자 또는 원자단이 다른 분자의 원자 또는 원자단과 바뀌는 반응이다. 화학식은 2Na + 2HCl → 2NaCl + H2이다.
- 침전반응 : 용액을 반응시켰을 때 생성물로 고체가 나오는 반응으로 앙금생성반응이라고도 한다. 화학식은 AgNO3 + NaCl → NaNO3 + AgCL이다.
- 산화환원반응 : 반응에 관여하는 분자를 이루는 원자의 산화수가 변하는 반응이다. 화학식은 2Mg + CO2 → 2MgO + C이다.
- 분해반응 : 화합물이 더 작은 화합물 또는 원소로 나누어지는 반응이다. 화학식은 2NaHCO3 → Na2CO3 + CO2 +H20이다.[6]
활용
연료전지
수소차에는 수소와 산소가 결합할 때 발생하는 화학에너지를 전기에너지로 바꾸는 연료전지가 쓰인다. 기존의 가솔린엔진 자동차가 휘발유를 태울 때 화학에너지가 방출되며 발생하는 열을 이용하는 것과 같은 원리지만 수소차는 수소와 산소가 결합할 때 발생하는 화학에너지를 열이 아니라 전기에너지로 변환해 사용하며 그 핵심 장치가 바로 연료전지이다. 연료전지는 두 개의 전극과 그 사이에 수소이온을 전달하는 전해질막으로 구성되어 있다. 한 전극에는 수소를, 다른 전극에는 산소를 각각 공급하고 수소 측 전극에서는 수소 분자가 수소이온과 전자로 분리되고, 수소이온은 전해질 속으로 이동해 산소 측 전극으로 전달한다. 그다음 산소 측 전극에서는 수소이온과 산소가 결합하면서 물이 생긴다. 이런 과정을 거치면서 두 전극 사이에 약 0.7V의 전압이 발생하고 수소의 화학에너지가 전기에너지로 변환된다. 이를 여러 개의 직렬로 연결하면 원하는 전압을 만들 수 있게 되며 수소차 동력원이 탄생하는 과정이다. 연료전지의 성능은 수소 분자를 이온 상태로 분해하고, 분해된 수소이온을 산소와 결합하는 과정을 얼마나 효율적으로 진행하느냐에 달려 있다. 이 반응을 촉진하는 촉매제로 백금이 가장 합리적인 물질로 꼽히며 업체들이 고가의 백금을 대체할 효율적이고 저렴한 촉매 물질을 개발하려고 치열한 경쟁을 벌이는 것도 이 이유이다. 수소차는 탱크에 수소만 있으면 언제든 연료전지를 작동할 수 있지만, 탱크에 수소를 충전하는 시간도 2, 3분에 불과합니다. 급속충전을 해도 1시간가량 소요되는 전기자동차는 경쟁이 되지 않기 때문에 한 번 충전으로 주행거리가 500㎞~700㎞로 전기자동차의 2배가량 길다.[7]
각주
- ↑ 사이언스올, 〈화학 에너지(chemical energy)〉, 《사이언스올》, 2015-09-09
- ↑ 〈화학에너지〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ yonder, 〈호기심해결사〉, 《엘지사이언스랜드》, 2010-02-05
- ↑ 소영아빠, 〈화학에너지와 열에너지〉, 《네이버 블로그》, 2020-07-04
- ↑ 5.0 5.1 사이언스올, 〈화학반응(chemical reaction)〉, 《사이언스올》, 2015-09-09
- ↑ 〈화학반응〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 현대모비스㈜, 〈친환경 수소차 속에 담긴 과학 원리〉, 《에이치엠지저널》, 2018-08-21
참고자료
- 사이언스올, 〈화학 에너지(chemical energy)〉, 《사이언스올》, 2015-09-09
- 〈화학에너지〉, 《네이버 지식백과》
- yonder, 〈호기심해결사〉, 《엘지사이언스랜드》, 2010-02-05
- 소영아빠, 〈화학에너지와 열에너지〉, 《네이버 블로그》, 2020-07-04
- 사이언스올, 〈화학반응(chemical reaction)〉, 《사이언스올》, 2015-09-09
- 〈화학반응〉, 《네이버 지식백과》
- 현대모비스㈜, 〈친환경 수소차 속에 담긴 과학 원리〉, 《에이치엠지저널》, 2018-08-21
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