化學화학 平衡평형의 移動이동

◁ 12hwahak-0303 ｜ 물의 自動자동 이온化화와 pH ▷

■ 12化화學학03-04: 濃度농도, 壓力압력, 溫度온도 變化변화에 따른 化學화학 平衡평형의 移動이동을 理解이해하고, 이를 日常生活일상생활 속 現象현상을 說明설명하는 데 適用적용하여 化學화학의 有用유용함을 느낄 수 있다.

化學화학 平衡평형

可逆가역 反應반응

많은 化學화학 反應반응은 한 方向방향으로만 일어나지 않습니다. 反應物반응물이 生成物생성물로 바뀌는 正反應정반응과 함께, 生成物생성물이 다시 反應物반응물로 돌아가는 逆反應역반응도 일어납니다. 이처럼 正反應정반응과 逆反應역반응이 모두 일어날 수 있는 反應반응을 可逆가역 反應반응이라 하고, 化學화학 反應式반응식에서는 $\rightleftharpoons$로 나타냅니다.

無色무색의 四酸化二窒素사산화이질소($N_2O_4$)를 密閉밀폐된 容器용기에 넣으면 一部일부가 褐色갈색의 二酸化窒素이산화질소($NO_2$)로 分解분해되어 容器용기 속이 漸漸점점 褐色갈색을 띱니다. 그런데 어느 程度정도 色색이 짙어지면 더 以上이상 變변하지 않습니다. 反應반응이 멈춘 것처럼 보이지만, 實際실제로는 $N_2O_4$가 $NO_2$로 分解분해되는 反應반응과 $NO_2$ 두 分子분자가 다시 $N_2O_4$로 結合결합하는 反應반응이 같은 速度속도로 계속 일어나고 있습니다.

正反應정반응과 逆反應역반응의 速度속도가 같아져 反應物반응물과 生成物생성물의 濃度농도가 더 以上이상 變변하지 않는 狀態상태를 化學화학 平衡평형이라 합니다. 겉으로는 아무 變化변화가 없지만 分子분자 水準수준에서는 두 反應반응이 쉬지 않고 일어나므로, 이를 動的동적 平衡평형이라고도 합니다. 들어오는 사람과 나가는 사람의 數수가 같아 人員인원이 一定일정하게 維持유지되는 붐비는 驛역 待合室대합실과 비슷합니다.

平衡평형 常數상수와 反應반응 指數지수

一定일정한 溫度온도에서 平衡평형 狀態상태에 이른 反應반응은 反應物반응물과 生成物생성물의 濃度농도 사이에 一定일정한 關係관계를 보입니다. 反應반응 $aA + bB \rightleftharpoons cC + dD$가 平衡평형에 있을 때, 다음 값은 처음에 넣은 物質물질의 量양과 關係관계없이 溫度온도만 같으면 언제나 같습니다.

이 값을 平衡평형 常數상수 $K$라 하고, $[\ ]$는 平衡평형 狀態상태의 몰 濃度농도를 뜻합니다. $K$가 크면 平衡평형에서 生成物생성물이 많고, 작으면 反應物반응물이 많습니다.

平衡평형이 아닌 아무 時點시점의 濃度농도를 같은 式식에 넣어 얻은 값을 反應반응 指數지수 $Q$라 합니다. $Q$를 $K$와 比較비교하면 反應반응이 어느 쪽으로 進行진행할지 알 수 있습니다.

平衡평형 狀態상태의 反應반응에 무언가 變化변화를 주면 $Q$와 $K$ 가운데 하나가 바뀌어 둘이 달라지고, 反應반응은 다시 $Q = K$가 되는 方向방향으로 進行진행합니다. 이렇게 平衡평형이 깨졌다가 새로운 平衡평형에 이르는 過程과정에서 反應반응이 正反應정반응이나 逆反應역반응 쪽으로 進行진행하는 것을 化學화학 平衡평형의 移動이동이라 합니다.

르샤틀리에 原理원리

1884秊년 프랑스의 化學者화학자 르샤틀리에는 平衡평형의 移動이동을 하나의 原理원리로 整理정리했습니다. 平衡평형 狀態상태에 있는 反應반응에 濃度농도, 壓力압력, 溫度온도 같은 條件조건의 變化변화를 주면, 反應반응은 그 變化변화를 줄이는 方向방향으로 平衡평형이 移動이동한다는 것입니다. 이를 르샤틀리에 原理원리라 합니다.

르샤틀리에 原理원리는 '平衡평형은 變化변화에 抵抗저항한다'고 要約요약할 수 있습니다. 어떤 物質물질을 넣으면 그 物質물질을 消耗소모하는 쪽으로, 熱열을 가하면 熱열을 吸收흡수하는 쪽으로 平衡평형이 움직입니다. 다만 平衡평형은 變化변화를 一部일부 줄일 뿐 完全완전히 되돌리지는 못하며, 새로운 平衡평형은 처음과 다른 濃度농도에서 이루어집니다. 아래에서 各각 條件조건을 次例차례로 살펴보고, 그 結果결과를 $Q$와 $K$로 다시 說明설명해 보겠습니다.

濃度농도 變化변화

物質물질을 넣거나 뺄 때

平衡평형 狀態상태의 反應반응에 反應物반응물을 더 넣으면, 늘어난 反應物반응물을 消耗소모하는 正反應정반응 쪽으로 平衡평형이 移動이동합니다. 生成物생성물을 더 넣으면 生成物생성물을 消耗소모하는 逆反應역반응 쪽으로 移動이동합니다. 反對반대로 生成物생성물을 계속 빼내면, 빠진 生成物생성물을 補充보충하는 正反應정반응 쪽으로 平衡평형이 移動이동합니다.

$Q$와 $K$로 보면 理由이유가 分明분명합니다. 反應物반응물을 넣으면 $Q$ 式식의 分母분모가 커져 $Q < K$가 되므로 反應반응이 正反應정반응 쪽으로 進行진행합니다. 溫度온도가 그대로이므로 $K$는 變변하지 않고, $Q$만 바뀌었다가 다시 $K$로 돌아오는 것입니다.

色색으로 보는 濃度농도 變化변화

濃度농도 變化변화에 따른 平衡평형 移動이동은 色색이 있는 이온의 反應반응에서 눈으로 確認확인할 수 있습니다. 鐵철(III) 이온과 싸이오사이안산 이온이 만나면 진한 붉은색의 錯착이온이 생깁니다.

이 溶液용액에 $Fe^{3+}$이나 $SCN^-$이 든 溶液용액을 더 넣으면 平衡평형이 正反應정반응 쪽으로 移動이동해 붉은色색이 짙어집니다. 反對반대로 $Fe^{3+}$과 結合결합해 이를 붙잡아 가는 物質물질을 넣으면 $Fe^{3+}$이 줄어 平衡평형이 逆反應역반응 쪽으로 移動이동하고, 붉은色색이 옅어집니다.

크로뮴산 이온과 다이크로뮴산 이온 사이의 平衡평형도 有名유명합니다.

노란색 溶液용액에 酸산을 넣으면 $H^+$이 늘어 平衡평형이 正反應정반응 쪽으로 移動이동해 溶液용액이 朱黃色주황색이 되고, 여기에 鹽基염기를 넣으면 $OH^-$이 $H^+$과 中和중화하여 $H^+$이 줄어들므로 平衡평형이 逆反應역반응 쪽으로 移動이동해 다시 노란色색이 됩니다. 中和중화 反應반응의 原理원리는 「酸과 鹽基」에서 다루었습니다.

壓力압력 變化변화

氣體기체 分子분자 數수와 壓力압력

氣體기체가 參與참여하는 反應반응에서는 壓力압력도 平衡평형에 影響영향을 줍니다. 溫度온도가 一定일정할 때 氣體기체의 壓力압력은 같은 부피 안에 있는 氣體기체 分子분자의 數수에 比例비례합니다. 容器용기의 부피를 줄여 壓力압력을 높이면, 平衡평형은 氣體기체 分子분자의 數수가 줄어드는 쪽으로 移動이동해 壓力압력 增加증가를 줄이려 합니다. 反對반대로 부피를 늘려 壓力압력을 낮추면 氣體기체 分子분자의 數수가 늘어나는 쪽으로 移動이동합니다.

$N_2O_4$와 $NO_2$의 平衡평형에서 正反應정반응은 氣體기체 1 몰이 2 몰로 늘어나는 反應반응입니다. 注射器주사기에 이 氣體기체 混合物혼합물을 넣고 피스톤을 눌러 부피를 줄이면, 처음에는 氣體기체가 壓縮압축되어 單位단위 부피당 $NO_2$가 많아지므로 色색이 瞬間的순간적으로 짙어집니다. 그러나 곧 平衡평형이 分子분자 數수가 적은 $N_2O_4$ 쪽으로 移動이동하면서 色색이 조금 옅어집니다. 처음 狀態상태보다는 여전히 짙지만, 平衡평형이 移動이동하지 않았을 때보다는 옅어진 것입니다. 壓力압력의 變化변화를 平衡평형이 一部일부 줄인 셈입니다.

反應物반응물과 生成物생성물의 氣體기체 分子분자 數수가 같은 反應반응, 예를 들어 $H_2(g) + I_2(g) \rightleftharpoons 2HI(g)$는 壓力압력을 바꾸어도 平衡평형이 移動이동하지 않습니다. 어느 쪽으로 가도 分子분자 數수가 같아 壓力압력을 줄일 수 없기 때문입니다. 또 부피를 그대로 둔 채 反應반응에 參與참여하지 않는 헬륨 같은 氣體기체를 넣어 全體전체 壓力압력을 높이는 境遇경우에도 平衡평형은 移動이동하지 않습니다. 反應반응에 參與참여하는 각 氣體기체의 濃度농도는 그대로이기 때문입니다. 平衡평형을 움직이는 것은 全體전체 壓力압력의 數字숫자가 아니라 反應반응하는 物質물질의 濃度농도라는 點점을 보여 줍니다.

이 移動이동은 $Q$와 $K$로도 確認확인할 수 있습니다. 平衡평형 狀態상태에서 부피를 절반으로 줄이면 모든 氣體기체의 몰 濃度농도가 一時일시에 2倍배가 됩니다. $N_2O_4(g) \rightleftharpoons 2NO_2(g)$의 反應반응 指數지수는 $Q = [NO_2]^2/[N_2O_4]$이므로, 分子분자는 $2^2 = 4$倍배, 分母분모는 2倍배가 되어 $Q$가 平衡평형 常數상수의 2倍배가 됩니다. $Q > K$이므로 反應반응은 逆反應역반응 쪽, 곧 分子분자 數수가 적은 $N_2O_4$ 쪽으로 進行진행해 $Q$가 다시 $K$와 같아질 때까지 移動이동합니다. 溫度온도가 그대로이므로 $K$는 變변하지 않고 $Q$만 바뀐 것입니다.

같은 計算계산을 $H_2(g) + I_2(g) \rightleftharpoons 2HI(g)$에 適用적용하면 $Q = [HI]^2/([H_2][I_2])$에서 分子분자와 分母분모가 모두 $2^2 = 4$倍배가 되어 서로 相殺상쇄됩니다. 兩양쪽의 氣體기체 分子분자 數수가 같으면 濃度농도를 몇 倍배로 바꾸어도 $Q$가 그대로이므로 平衡평형이 移動이동하지 않는 것입니다. 一般的일반적으로 부피를 $\frac{1}{n}$로 줄이면 $Q$는 $n^{\Delta n}$倍배가 되는데, 여기서 $\Delta n$은 生成物생성물과 反應物반응물의 氣體기체 係數계수 合합의 差차입니다. $\Delta n$이 陽양이면 $Q$가 커져 逆反應역반응 쪽으로, 陰음이면 $Q$가 작아져 正反應정반응 쪽으로, 0이면 어느 쪽으로도 移動이동하지 않습니다.

溫度온도 變化변화

溫度온도와 平衡평형 常數상수

溫度온도 變化변화는 濃度농도나 壓力압력과 性格성격이 다릅니다. 濃度농도와 壓力압력은 $Q$를 바꿀 뿐 $K$는 그대로 두지만, 溫度온도가 바뀌면 平衡평형 常數상수 $K$ 自體자체가 바뀝니다.

르샤틀리에 原理원리에 따르면, 溫度온도를 높이면 平衡평형은 熱열을 吸收흡수하는 쪽, 곧 吸熱흡열 反應반응 쪽으로 移動이동하고, 溫度온도를 낮추면 熱열을 放出방출하는 發熱발열 反應반응 쪽으로 移動이동합니다. 正反應정반응이 發熱발열 反應반응이면 溫度온도를 높일 때 逆反應역반응 쪽으로 移動이동하므로 $K$가 작아지고, 正反應정반응이 吸熱흡열 反應반응이면 溫度온도를 높일 때 正反應정반응 쪽으로 移動이동하므로 $K$가 커집니다. 發熱발열과 吸熱흡열의 뜻은 「에너지의 吸收와 放出」에서 다루었습니다.

溫度온도에 따라 바뀌는 色색

$NO_2$ 두 分子분자가 $N_2O_4$로 結合결합하는 反應반응은 熱열을 放出방출하는 發熱발열 反應반응입니다.

이 氣體기체를 넣은 密閉밀폐 플라스크를 뜨거운 물에 담그면 平衡평형이 吸熱흡열 쪽인 逆反應역반응으로 移動이동해 $NO_2$가 늘어나므로 褐色갈색이 짙어지고, 얼음물에 담그면 發熱발열 쪽인 正反應정반응으로 移動이동해 色색이 옅어집니다.

鹽化염화코발트 溶液용액도 溫度온도에 따라 色색이 바뀝니다. 물 分子분자가 結合결합한 코발트 錯착이온은 粉紅色분홍색, 鹽化염화 이온이 結合결합한 錯착이온은 파란색인데, 粉紅色분홍색에서 파란色색으로 가는 反應반응이 吸熱흡열 反應반응입니다.

溶液용액을 데우면 파란色색이 되고 식히면 粉紅色분홍색으로 돌아갑니다. 이 反應반응은 물의 濃度농도에도 敏感민감해서, 鹽化염화코발트를 묻힌 종이는 마른 狀態상태에서 파란色색이었다가 濕氣습기를 머금으면 粉紅色분홍색이 됩니다. 이 原理원리로 濕度습도를 表示표시하는 試驗紙시험지나 乾燥劑건조제의 吸濕흡습 程度정도를 알려 주는 指示지시 物質물질을 만듭니다.

觸媒촉매는 平衡평형을 옮기지 않는다

觸媒촉매는 活性化활성화 에너지를 낮추어 反應반응 速度속도를 빠르게 하지만, 正反應정반응과 逆反應역반응의 速度속도를 똑같은 比率비율로 높이므로 平衡평형의 位置위치를 바꾸지 않습니다. 觸媒촉매를 넣으면 平衡평형에 더 빨리 到達도달할 뿐, 平衡평형 狀態상태의 濃度농도는 같습니다. 그래서 平衡평형 常數상수도 變변하지 않습니다.

하버-보슈 法법

空氣공기에서 肥料비료를

르샤틀리에 原理원리가 産業산업에서 가장 큰 意味의미를 가진 例예는 암모니아 合成합성입니다. 植物식물이 자라는 데 꼭 必要필요한 窒素질소는 空氣공기의 78%를 차지하지만, 窒素질소 分子분자는 두 原子원자가 매우 단단한 三重삼중 結合결합으로 묶여 있어 大部分대부분의 生物생물이 直接직접 쓰지 못합니다. 19世紀세기까지 農業농업은 糞尿분뇨와 콩과 植物식물, 그리고 南남아메리카에서 캐 오는 구아노와 칠레 硝石초석 같은 天然천연 窒素질소 肥料비료에 依存의존했고, 人口인구가 늘수록 肥料비료 不足부족이 걱정거리가 되었습니다.

1909秊년 獨逸독일의 化學者화학자 하버는 空氣공기 中중의 窒素질소와 水素수소로 암모니아를 合成합성하는 데 成功성공했고, 化學화학 會社회사의 技術者기술자 보슈가 이를 大規模대규모 工業공업 工程공정으로 만들어 1913秊년부터 生産생산이 始作시작되었습니다.

條件조건의 選擇선택

이 反應반응의 條件조건을 르샤틀리에 原理원리로 따져 보면 다음과 같습니다.

첫째, 壓力압력입니다. 正反應정반응은 氣體기체 4 몰이 2 몰로 줄어드는 反應반응이므로 壓力압력을 높일수록 平衡평형이 암모니아 쪽으로 移動이동합니다. 그래서 수백 氣壓기압의 높은 壓力압력을 씁니다. 壓力압력을 더 높이면 收率수율은 오르지만 높은 壓力압력을 견디는 設備설비와 壓縮압축에 드는 에너지 費用비용이 急激급격히 늘어나므로 적당한 線선에서 妥協타협합니다.

둘째, 溫度온도입니다. 正反應정반응이 發熱발열 反應반응이므로 收率수율만 생각하면 溫度온도가 낮을수록 좋습니다. 그러나 溫度온도가 낮으면 反應반응이 너무 느려 平衡평형에 이르기까지 오랜 時間시간이 걸립니다. 그래서 鐵철을 主成分주성분으로 하는 觸媒촉매를 쓰면서 400~500 ℃ 程度정도의 溫度온도를 擇택합니다. 平衡평형의 位置위치보다 單位단위 時間시간에 얼마나 많이 만들 수 있느냐가 産業산업에서는 더 重要중요하기 때문입니다.

셋째, 濃度농도입니다. 反應반응이 끝난 氣體기체를 식혀 끓는점이 높은 암모니아만 液體액체로 만들어 빼내고, 反應반응하지 않은 窒素질소와 水素수소는 다시 反應반응 容器용기로 돌려보냅니다. 生成物생성물을 계속 빼내므로 平衡평형이 正反應정반응 쪽으로 移動이동하는 效果효과를 얻습니다.

하버-보슈 法법은 化學화학이 人類인류의 歷史역사를 바꾼 代表的대표적인 例예입니다. 合成합성 窒素질소 肥料비료 덕분에 糧食양식 生産생산이 크게 늘었고, 오늘날 世界세계 人口인구의 절반 가까이가 이 方法방법으로 만든 肥料비료에 기대어 먹고산다는 推定추정도 있습니다. 하버는 1918秊년, 보슈는 1931秊년 노벨 化學賞화학상을 받았습니다. 그러나 암모니아는 火藥화약의 原料원료인 窒酸질산을 만드는 데도 쓰여, 第제1次차 世界세계 大戰대전 동안 天然천연 硝石초석의 輸入수입이 막힌 獨逸독일이 戰爭전쟁을 이어 갈 수 있게 했습니다. 하버 自身자신은 戰爭전쟁 中중 鹽素염소 毒독가스 開發개발을 主導주도하기도 했습니다. 같은 化學화학 知識지식이 人類인류를 먹여 살리는 일과 죽이는 일에 함께 쓰였던 것입니다.

生活생활 속의 平衡평형 移動이동

炭酸飮料탄산음료

炭酸飮料탄산음료는 二酸化炭素이산화탄소를 높은 壓力압력으로 물에 녹여 만듭니다. 甁병 속에서는 氣體기체 二酸化炭素이산화탄소와 물에 녹은 二酸化炭素이산화탄소 사이에 平衡평형이 이루어져 있습니다.

甁병뚜껑을 열면 甁병 속의 壓力압력이 낮아지므로 平衡평형이 氣體기체 쪽으로 移動이동해 녹아 있던 二酸化炭素이산화탄소가 거품이 되어 빠져나옵니다. 氣體기체가 물에 녹는 過程과정은 대개 發熱발열 過程과정이므로, 溫度온도가 높으면 平衡평형이 氣體기체 쪽으로 移動이동합니다. 미지근한 炭酸飮料탄산음료에서 김이 빨리 빠지는 理由이유입니다. 一定일정한 溫度온도에서 氣體기체의 溶解度용해도가 그 氣體기체의 壓力압력에 比例비례한다는 法則법칙을 헨리의 法則법칙이라 합니다.

血液혈액과 酸素산소

血液혈액 속 헤모글로빈은 酸素산소와 結合결합하고 떨어지는 平衡평형을 통해 酸素산소를 運搬운반합니다. 單純단순하게 나타내면 다음과 같습니다.

酸素산소가 많은 허파에서는 平衡평형이 오른쪽으로 移動이동해 헤모글로빈이 酸素산소와 結合결합하고, 酸素산소를 消耗소모하는 組織조직에서는 酸素산소의 濃度농도가 낮아 平衡평형이 왼쪽으로 移動이동해 酸素산소를 내놓습니다. 높은 山산에 오르면 空氣공기 中중 酸素산소의 壓力압력이 낮아 平衡평형이 왼쪽으로 기울고, 酸素산소와 結合결합한 헤모글로빈이 줄어 숨이 차고 머리가 아픈 高山病고산병이 생길 수 있습니다. 高地고지에 오래 머무르면 몸이 헤모글로빈과 赤血球적혈구를 더 만들어 平衡평형을 다시 오른쪽으로 끌어오는데, 運動選手운동선수들이 高地고지 訓鍊훈련을 하는 理由이유입니다.

一酸化炭素일산화탄소는 헤모글로빈과 酸素산소보다 200倍배 넘게 强강하게 結合결합합니다. 一酸化炭素일산화탄소에 中毒중독되면 헤모글로빈이 酸素산소를 나르지 못하게 되므로, 높은 壓力압력의 酸素산소를 들이마시게 하는 高壓고압 酸素산소 治療치료로 平衡평형을 酸素산소 쪽으로 밀어 一酸化炭素일산화탄소를 떼어 냅니다.

血液혈액의 pH와 呼吸호흡

血液혈액의 pH는 7.4 안팎으로 매우 좁은 範圍범위에서 維持유지됩니다. 여기에는 二酸化炭素이산화탄소와 炭酸水素탄산수소 이온 사이의 平衡평형이 重要중요한 구실을 합니다.

血液혈액에 酸산이 들어와 $H^+$이 늘면 平衡평형이 왼쪽으로 移動이동해 $H^+$을 消耗소모하고, 생긴 二酸化炭素이산화탄소는 허파를 통해 내쉬어집니다. 이처럼 酸산이나 鹽基염기가 들어와도 pH 變化변화를 줄이는 溶液용액을 緩衝완충 溶液용액이라 합니다. 反對반대로 지나치게 빠르고 깊게 숨을 쉬는 過呼吸과호흡이 일어나면 二酸化炭素이산화탄소가 너무 많이 빠져나가 平衡평형이 왼쪽으로 移動이동하고 $H^+$이 줄어 血液혈액이 鹽基性염기성 쪽으로 기울며, 손발 저림이나 어지럼症증이 나타날 수 있습니다.

이와 石灰석회 洞窟동굴

이의 겉면을 이루는 에나멜質질은 水酸化燐灰石수산화인회석이라는 物質물질로, 침 속에서 녹는 反應반응과 다시 쌓이는 反應반응이 平衡평형을 이루고 있습니다.

입안의 細菌세균이 糖당을 分解분해해 酸산을 만들면 $H^+$이 $OH^-$과 反應반응해 $OH^-$이 줄어들고, 平衡평형이 오른쪽으로 移動이동해 에나멜質질이 녹습니다. 이것이 蟲齒충치의 始作시작입니다. 플루오린化화 이온이 들어 있는 齒藥치약을 쓰면 $OH^-$ 자리에 $F^-$이 들어간 플루오린化燐灰石화인회석이 만들어지는데, 이 物質물질은 酸산에 더 잘 견딥니다.

石灰석회 洞窟동굴의 鐘乳石종유석과 石筍석순도 平衡평형 移動이동으로 만들어집니다.

二酸化炭素이산화탄소가 많이 녹아 있는 地下水지하수는 平衡평형을 오른쪽으로 移動이동시켜 石灰巖석회암을 녹이며 洞窟동굴을 만듭니다. 이 물이 洞窟동굴 天障천장에서 떨어질 때 二酸化炭素이산화탄소가 空氣공기 中중으로 빠져나가면 平衡평형이 왼쪽으로 移動이동해 炭酸탄산칼슘이 다시 쌓이고, 수천~수만 秊년에 걸쳐 鐘乳石종유석과 石筍석순이 자랍니다. 大氣대기 中중 二酸化炭素이산화탄소가 늘면서 바닷물에 더 많이 녹아 바다가 酸性化산성화하는 것도 같은 平衡평형의 問題문제로, 조개와 珊瑚산호가 껍데기와 골격을 만드는 데 必要필요한 炭酸탄산 이온이 줄어드는 結果결과를 낳습니다.

더 나아가기

熱力學열역학과 平衡평형 常數상수

르샤틀리에 原理원리는 平衡평형이 어느 方向방향으로 移動이동할지를 알려 주지만, 얼마나 移動이동할지는 알려 주지 않습니다. 이를 定量的정량적으로 다루는 것이 熱力學열역학입니다. 大學대학 化學화학에서는 平衡평형 常數상수를 反應반응의 標準표준 깁스 自由자유 에너지 變化변화 $\Delta G^\circ$와 다음과 같이 連結연결합니다.

여기서 $R$은 氣體기체 常數상수, $T$는 絶對절대 溫度온도입니다. $\Delta G^\circ$가 陰數음수로 클수록 $K$가 커서 生成物생성물 쪽에 치우친 平衡평형이 됩니다. 「에너지의 吸收와 放出」에서 自然자연의 變化변화가 에너지가 낮아지는 傾向경향과 粒子입자가 흩어지는 傾向경향의 結果결과라고 했는데, 깁스 自由자유 에너지는 이 두 傾向경향을 하나의 量양으로 묶은 것입니다. 溫度온도에 따라 $K$가 어떻게 바뀌는지도 反應熱반응열 $\Delta H^\circ$를 써서 定量的정량적으로 計算계산할 수 있으며, 이를 판트호프 式식이라 합니다. 吸熱흡열 反應반응은 溫度온도가 오를수록 $K$가 커지고 發熱발열 反應반응은 작아진다는, 앞에서 르샤틀리에 原理원리로 얻은 結論결론이 이 式식에서 그대로 나옵니다.

르샤틀리에 原理원리의 限界한계

르샤틀리에 原理원리는 便利편리한 規則규칙이지만 언제나 맞는 法則법칙은 아닙니다. 例예를 들어 암모니아 合成합성 平衡평형에서 壓力압력을 一定일정하게 維持유지한 채 窒素질소를 더 넣으면, 窒素질소가 이미 많이 들어 있는 特定특정한 條件조건에서는 오히려 平衡평형이 逆反應역반응 쪽으로 移動이동하는 境遇경우가 있습니다. 窒素질소를 넣으면 全體전체 氣體기체의 양이 늘어 부피가 커지면서 水素수소와 암모니아의 濃度농도까지 함께 바뀌기 때문입니다. 이런 境遇경우에도 $Q$와 $K$를 比較비교하면 移動이동 方向방향을 正確정확히 判斷판단할 수 있습니다. 르샤틀리에 原理원리는 平衡평형 常數상수로부터 이끌어 낼 수 있는 結果결과를 쉽게 要約요약한 經驗則경험칙이고, 더 根本的근본적인 判斷판단 基準기준은 $Q$와 $K$의 比較비교입니다.

整理정리

化學화학 平衡평형은 멈춘 狀態상태가 아니라 두 反應반응이 맞서 均衡균형을 이룬 狀態상태이고, 그래서 條件조건이 바뀌면 그 均衡균형이 새로운 자리로 옮겨 갑니다. 이 移動이동을 理解이해하면 工場공장에서 願원하는 物質물질을 더 많이 얻는 條件조건을 設計설계할 수 있고, 우리 몸이 酸素산소를 나르고 pH를 지키는 方法방법과 洞窟동굴의 鐘乳石종유석이 자라는 過程과정까지 같은 原理원리로 說明설명할 수 있습니다.