Chapter 16 1

화학평형Chemical Equilibrium

Chapter 16

Chapter 16 2

화학평형(Chemical Equilibrium)

가역반응 : 정반응과 역반응의 속도가 동일하고조성의 실질적 변화가 없는 상태.

정반응의 속도 = 역반응의 속도

동적평형(dynamic equilibrium) 평형상태.

(가역성 (reversibility))

Chapter 16 3

평형의 개념

반응 전 (무색) 반응 중 동적평형 (갈색)

Chapter 16 4

반응속도와 평형

화학반응은 항시 한 방향만으로 일어나는것은 아님.

암모니아 합성반응의 예 (평형에서):

N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) k 1

k-1

정반응 속도 = k1[N2] [H2]3

역반응 속도 = k-1 [NH3]2

평형상수 : Kc = k1/k-1 = [NH3]2/ [N2] [H2]

3

Chapter 16 5

평형도달과정 중 속도변화

평형 : 정반응의 속도 = 역반응의 속도

시간

평형도달

정반응 속도 = k1[N2] [H2]3

역반응 속도 = k-1 [NH3]2NH3 : 생성물

반응물 :N2 & H2

Chapter 16 6

평형과 평형도달과정 중 농도변화

평형도달 중엔 반응물의 농도 감소, 생성물의농도 증가.

평형에선 반응물과 생성물의 농도 일정(불변). 정반응 및 역반응은 계속된다.

시간

[H2]

[N2]

[NH3]

Chapter 16 7

반응속도에 영향을 주는 실험적 요인

o 반응물 농도 (reactant concentration)o 반응온도(reaction temperature)o 촉매(catalyst)

Chapter 16 8

변화에 따른 평형의 대응:LeChatelier’s Principle

“만약 평형상태의 계에 자극이 가해지면, 계는그 자극을 최소화하는 방향으로 평형이변화한다. “

예) 압축 : 평형의 방향 --기체 분자수를 감소시키는 방향

(불활성기체의 첨가는 영향이 없음)

정반응이 발열반응 : T 감소시, K 증가정반응이 흡열반응 : T 증가시, K 증가

Chapter 16 9

LeChatelier’s Principle의 예

다음반응에서 CO2 를 제거하면 C6H12O6 (s)의 수율은 ?

6H2O (g) + 6 CO2 (g) C6H12O6 (s) + 6 O2 (g)

KC =[O2]

6

[H2O]6 [CO2]6

감소함

Chapter 16 10

LeChatelier’s Principle의 예 (계속…)

6H2O (g) + 6 CO2 (g) C6H12O6 (s) + 6 O2 (g)

증가함 : 정반응으로 진행.

위 반응에서 압력을 가해 기체의 부피를 부피를 감소 시

C6H12O6 (s)의 수율은 ?

위 반응이 만약 발열반응이면, 온도를 높일 때 C6H12O6 (s)의 수율은 ?

감소 : 역 방향으로 진행

Chapter 16 11

2 4 2( , ) 2 ( , ) :

)

)

N O g colorless NO g brown

T

T

열 흡열반응

평형은오른쪽으로이동(온도증가를감소시키기위하여

평형은좌측으로이동(온도감소를감소시키기위하여

온도의 영향

Chapter 16 12

촉매: 화학반응에 반응물로 참여하지 않고 다만 반응의활성화 에너지를 낮추므로써 반응의 속도를 빠르게 하는 물질

촉매의 영향

Chapter 16 13

For the general reaction

aA + bB cC + dD→→c d

q a be

[C] [D]K =

[A] [B]

at a given temperature

평형상수

Chapter 16 14

액체상 & 기체상 (Kc & Kp)

Kc :액체/기체상 평형상수 (몰농도로 표시); aA + bB <---> cC + dD ;

평형상수, Kc = [C]c[D]d / [A]a[B]b

**몰농도 [M] = 물질의 몰수(mole)/ 용액 L수(단위 : mole/L)

Kp :기체상 평형상수(분압으로 표현 시); Kp = PC

c PDd / PA

a PBb (P, 기체의 분압)

평형상수의 표현방법균일평형 : 화학반응 종 모두가 같은 상인 반응 (액체/기체).

Chapter 16 15

For the reaction

3H2 + N2 2NH3→→

3eq

2

2

3

2

[NH ]K =

[H ] [N ]

Chapter 16 16

For the reaction

4NH3 + 3O2 2N2 + 6H2O→→

2 6

4 32 2

eq

3 2

[N ] [H O]K =

[NH ] [O ]

Chapter 16 17

Calculate the Keq for the following reaction on

concentrations of PCl5 = 0.030 mol/L, PCl3 = 0.97

mol/L and Cl2 = 0.97 mol/L at 300oC.

PCl5(g ) PCI3(g) + Cl2(g)→→

3 2eq

5

[PCl ][Cl ]K = =

[PCl ]

(0.97)(0.97) = 31

(0.030)

Chapter 16 18

Kw = (1 x 10-7)(1 x 10-7) = 1.00 x 10-14

H2O + H2O H3O+ + OH-→→

H2O H+ + OH-→→

[H+] = [OH-] = 1.00 x 10-7 mol/L

Kw = [H+][OH-] = 1.00 x 10-14 T = 25oC

물의 이온곱.

At equilibrium

The water equilibrium constant, Kw, is called the

ion product constant for water.

Chapter 16 19

What is the concentration of (a) H+ and (b) OH- in a

0.001 M HCl solution?

HCl → H+ + Cl-

HCl is 100% ionized.

[H+] = 1 x 10-3 M

Solve the Kw expression for [OH-].

Kw= [H+][OH-] = 1.00 x 10-14

-14

-3

1 x 10 =

1 x 10

-11= 1 x 10 mol/L- w+

K[OH ] =

[H ]

Chapter 16 20

What is the pH of a 0.010 M NaOH solution?

NaOH → Na+ + OH-

NaOH is 100% ionized.

[OH-] = 1 x 10-2 M

Solve the Kw expression for [H+].

Kw= [H+][OH-] = 1.00 x 10-14

-14

-2

1 x 10 =

1 x 10

-12= 1 x 10 mol/L+ w

-

K[H ] =

[OH ]pH = - log[H+] = - log(1.0 x 10-12) = 12

Chapter 16 21

① 모든 화학종의 농도를 초기농도, 변화량 x, 평형농도로 나타냄

② Ka/Kb 식을 쓰고 여기에 평형농도를 대입

③ x값을 구하고 평형농도, pH를 계산

•Ka에 대한 식을 정리하면 대개 이차방정식이 된다.

• 이 때 (초기농도-x)에서 x의 값이 5%이하이면 근사적으로 같다고 봄.

• 즉 0.100 -x ∼ 0.100 으로 계산. (나중에 타당성 조사)

이온화 상수 및약산/약염기 계산문제 풀이 법

Chapter 16 22

약산 (염기)용액의 pH

가정 :*5% 이하의 전리는 무시

아세트산의 Ka = 1.8 * 10-5일때 0.5M CH3COOH (aq)의pH와 이온화 된 비율을 계산하라.

초기

변화

평형

CH3COOH H+ CH3COO-

CH3COOH (aq) <-> H+(aq) + CH3CO2-(aq)

0.50

-x

0.50-x

0

+x

+x

0

+x

x

Ka = 1.8*10-5 = x2 / (0.50-x) ~ x2 / (0.50)

x2 ~ (0.50*1.8*10-5) ; x = 3.0 x 10-3 = [H+] pH = -log[3.0 x 10-3 ]

가정의 검증 : 이온화 비율 = [H+]/[CH3COOH]초기* 100% => 작아서무시가능

(0.50.5-x 0x 0x )

Chapter 16 23

용해도곱 상수 (solubility product constant, Ksp)

용해도곱상수 :난용성 염의 평형상수

예) MgF2(s) <-> Mg2+(aq) + 2F-(aq) Ksp = [Mg2+][F-]2

용해도곱 상수, Ksp가 크면 용해도 증가

예2) The solubility of AgCl in water: 1.3 x 10-5 mol/L.

AgCl(s) Ag+(aq) + Cl-(aq)→→

Ksp = [Ag+][Cl-]

= (1.3 x 10-5)(1.3 x 10-5)

[Ag+] = [Cl-] = 1.3 x 10-5 mol/L

= 1.7 x 10-10

The Ksp는 분모 없음

Chapter 16 24

Ksp와 몰용해도(s) 사이의 관계 (표17.3)

Chapter 16 25

몰용해도(s): 포화용액 1 L에 녹아있는 용질의몰수 (mol/L)

용해도: 포화용액 1L에 녹아있는 용질의 그램수 (g/L)

몰용해도 → Ksp

Ksp → 몰용해도

몰용해도와 용해도

Chapter 16 26

수산화구리(Cu(OH)2)의 Ksp는 2.2*10-20 이다. 수산화구리 (97.57g/mole)의 용해도는 (g/L)?

Chapter 16 27

The Ksp of PbSO4 is 1.3 x 10-8 : 이 경우, PbSO4 의 용해도를계산하라 (g/L).

2+ 2-

4 4PbSO Pb + SO→→

2+ 2-

sp 4K = [Pb ][SO ]

2+ 2-

sp 4K = [Pb ][SO ]

-8

spK = (Y)(Y) = 1.3 x 102 -8Y = 1.3 x 10

-8Y = 1.3 x 10-4= 1.1 x 10 mol/L

-41.1 x 10 mol

L

-2= 3.3 x 10 g/L

303.3 g

mol

S*SS*S

S2

S2 =S

Chapter 16 28

용액에 공통이온이 존재 시 용해도가 감소하는 현상.(르샤틀리에의 원리로 설명 가능)

용해도곱은 불변

질산은 (AgNO3) 용액에서의 AgCl의 용해도공통이온: Ag+

공통이온 효과 (common ion effects)

Chapter 16 29

6.5 * 10-3 M 질산은(AgNO3)에서AgCl (Ksp = 1.6*10-10)의 용해도는? Ag+, Cl- 농도 ?

AgNO3 : 가용성강전해질 ---완전해리AgNO3(s) Ag+(aq) + NO3

- (aq)

6.5 * 10-3 M 6.5 * 10-3 M

혼합용액에서AgCl은, AgCl(s) > Ag+(aq) + Cl-(aq)

처음(M) 6.5 * 10-3 M 0.0변화(M) +s +s평형(M) (6.5 * 10-3 + s) s

Ksp =1.6*10-10 =[Ag+]*[Cl-]=(6.5 * 10-3 + s)*s~(6.5 * 10-3)*s; s = 2.5* 10-8 M

[Ag+] = (6.5 * 10-3 + s) = (6.5 * 10-3 + 2.5* 10-8 )~ 6.5 * 10-3 M; [Cl-] = 2.5* 10-8 M

Chapter 16 30

완충용액 (Buffer)

완충용액 : 약산 혹은 약염기와 그의 염의혼합용액. 완충용액은 외부에서 소량의산이나 염기가 가해졌을 때 pH 변화에 대한저항능력을 갖는다.

예) CH3COOH / CH3COONa system

(초산 / 초산나트륨)

+ 산 : CH3COO-(aq) + H+(aq)->CH3COOH(aq)

+염기 : CH3COOH(aq) + OH-(aq)->CH3COO-(aq)

Chapter 16 31

기말고사 예고일시 : 2019년 6월 12일 오후 3:00

(계산기 지참)

** 노트제출 (6/3일)