위키원
열화학
열화학(熱化學, Thermochemistry)은 화학 반응 및 용융 및 비등과 같은 상 변화와 관련된 열에너지에 대한 연구이다. 반응은 에너지를 방출하거나 흡수할 수 있으며 상 변화도 마찬가지이다. 열화학은 열의 형태로 시스템과 주변 환경 간의 에너지 교환에 중점을 둔다. 열화학은 주어진 반응 과정 전반에 걸쳐 반응물 및 생성물 양을 예측하는 데 유용하다. 엔트로피 측정과 함께 반응이 자발적인지 비자발적인지, 유리한지 불리한지를 예측하는 데에도 사용된다.
흡열 반응은 열을 흡수하고 발열 반응은 열을 방출한다. 열화학은 화학 결합 형태의 에너지 개념과 열역학 개념을 결합한다. 주제는 일반적으로 열용량, 연소열, 형성열, 엔탈피, 엔트로피 및 자유 에너지와 같은 양의 계산을 포함한다.
열화학은 열뿐만 아니라 다양한 형태의 일과 물질 교환을 포함하여 시스템과 주변 사이의 모든 형태의 에너지 교환을 다루는 광범위한 화학 열역학 분야의 한 부분이다. 모든 형태의 에너지를 고려할 때 발열 및 흡열 반응의 개념은 발산 반응 및 흡열 반응으로 일반화된다.
개요
열화학은 화학 열역학의 한 분야로 화학 반응이나 상태 변화에서 열 형태로 에너지가 이전되고 출입하는 것을 연구한다. 열역학적으로 반응 용기와 그 내용물은 하나의 계(system)를 이루며 화학 반응에 의해서 이 계와 그 주위 사이에 에너지 교환이 일어난다. 계가 열을 내놓는 변화를 발열 과정, 흡수하는 변화를 흡열 과정이라고 한다. 반응에서 나오거나 흡수되는 열(q)을 열량계로 측정하면, 내부 에너지 변화(∆U)나 엔탈피 변화(∆H)를 추정할 수 있고, 반대로 반응에 대한 ∆U나 ∆H를 알면 그 반응에서 나오는 열에너지의 양을 예측할 수 있다. 열역학에서는 일정한 부피 조건에서 반응이 일어날 때 출입하는 열 qu는 내부 에너지 변화(∆U)와 같고, 일정한 압력 조건에서 반응이 일어날 때 출입하는 열 qp는 엔탈피 변화(∆H)와 같다. ∆H=qp ∆U=qu 주어진 조건에서 어떤 화학 변화가 자발적으로 일어날 것인지 예측하기 위해서는 에너지 출입뿐만 아니라 엔트로피 변화도 고려해야 한다.
열화학 반응식
화학 반응에 수반되는 엔탈피 변화 혹은 열 출입을 해당 화학 반응식과 같이 쓰는 것을 열화학 반응식이라고 한다.
CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(l) ΔH°=-890 kJ
ΔH°는 표준 상태에서 혼합되기 전 순수한 상태의 반응물에서 표준 상태에서 혼합되지 않은 순수한 상태의 생성물이 만들어질 때 수반되는 엔탈피 변화이다.
기본 원리
열화학은 두 가지 가설에 기초하여 발전하였다.
라브와지에(Lavoisier)와 라플라스(Laplace) 법칙 (1780): 어떤 화학 변화에 수반되는 에너지 변화는 그 역과정에 수반되는 에너지 변화량과 같다.
헤스 법칙(Hess' Law) (1840): 어떤 화학 변화에 수반되는 에너지 변화는 그것이 한번에 이루어지든 여러 단계로 나누어지든 같다.
이 두 가지 법칙은 열역학 제1 법칙(1845)으로 설명된다.
가열 곡선
온도계가 발명되고 온도가 정의되자 화학자들은 다양한 자연 현상의 온도 변화를 측정할 수 있게 되었다. 일정한 속도로 계에 열을 가하면 계는 물리적 상전이를 겪고 화학적 변화, 화학 반응이 일어나게 된다. 이때 계의 온도 변화를 시간 혹은 가해준 열 에너지의 양에 따라 그린 그래프를 가열 곡선이라고 한다. 가열 곡선에서 상전이를 확인할 수 있고, 순수한 물질의 상전이 때에는 계의 온도가 유지됨을 알 수 있다.
열량계
화학 반응이나 상태 변화에 따르는 열을 측정하려면 열량계를 사용한다. 열량계는 화학적 계를 담는 그릇으로 이루어져 있다. 열량계 내부의 온도는 온도계나 열쌍으로 측정하고 온도 변화를 통하여 열화학적 물리량을 계산한다. 일반적으로 q=mcΔT 이고, 열역학적 조건에 따라 여러 가지 형태의 열량계가 사용될 수 있다. 여기서 q는 열량, m은 질량, c는 비열, ΔT는 온도 변화이다.
화학 변화에서 압력을 유지하면서 열의 출입을 측정하는 일정압력 열량계는 qp와 ΔH를 결정하게 해준다. 실험실에서 일정한 대기압 조건으로 화학 반응이나 화학 변화를 정밀하지는 않지만 간단히 관찰하는 컵 열량계가 좋은 예이다. 부피를 유지하면서 열의 출입을 측정하는 일정부피 열량계는 qp와 ΔU를 결정하게 해준다. 화학 반응이 일어나도 계의 부피가 변하지 않도록 튼튼한 금속 용기를 사용하는 통열량계가 대표적 이다.
엔탈피
엔탈피는 U + PV 로 정의하고 일반적으로 qp로 측정한다. 표준 엔탈피 변화 ΔH°는 처음 물질과 최종 물질이 표준 상태에 있는 변화 과정에 대한 엔탈피 변화를 뜻한다. 표준 상태 (standard state) 는 어떤 주어진 온도, 압력 1 bar에서 순수한 상태로 있는 것을 말한다. 예를 들어, 298 K에서 물의 표준 상태는 298 K, 1 bar 에서의 순수한 액체 상태 물이다. 표준 상태에서 물질의 변화나 화학 반응이 일어날 때 엔탈피 변화를 표준 엔탈피 변화(ΔH°)라고 한다. 그 중 몇 가지는 일어나는 화학 변화에 따라 명명한다.
표준 반응 엔탈피
화학 반응에 수반되는 엔탈피 변화는 각 반응물과 생성물에 대한 표준 반응 엔탈피 (standard reaction enthalpy) ΔrH°를 사용하여 얻을 수 있다. 다음과 같은 일반적인 화학 반응식이 있다면,
aA + bB → cC+ dD
이 반응의 표준 반응 엔탈피는 다음과 같다.
ΔrH°={cH°m(C) + dH°m(D)}-{aH°m(A) + bH°m(B)}
위의 식에서 H°m(X)는 주어진 온도에서의 화학종 X의 1몰당 표준 (생성) 엔탈피이다.
참고자료
같이 보기
