Upload
others
View
3
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Chapter 12
(aseous Chemical Equilibrium
v 평형계 (equilibrium)
v 평형상수의 표현 (equilibrium constant)
v 평형상수의 결정
v 평형상수의 응용
v 외부조건의 변화가 평형계에 미치는 영향
평형(Equilibrium)
• 평형이란 ?
2HI(g) H2(g) + I2(g)
2HI(g) → H2(g) + I2(g)
H2(g) + I2(g) → 2HI(g)
520°C에서 위 평형에 대해 연구 하려면, 순수한 HI 나 수소와 요오드의 혼합물을 520°C 의
용기에 넣고 잘 밀봉한 다음, 부분압력이 일정하게 될 때까지 일정기간이 지난 후, 시료를
분취한다. 분취한 시료는 평형에 도달한 평형계이다.
←→
12.1 N2O4-NO2 Equilibrium System
N2O4(g) → 2NO2(g)
2NO2(g) → N2O4(g)
42ONP
2NOP1.561.561.561.300.800.00
0.220.220.220.350.601.00
100806040200시간(초)
1122.0
56.1)( 2
ON
2NO
42
2 ===P
PK
N2O4(g) 2NO2(g)←→
평형계의 예
2HI(g) H2(g) + I2(g)
P0(atm) 0.200 0.000 0.000
∆P(atm) -0.040 +0.020 +0.020 Expt. 1
Peq(atm) 0.160 0.020 0.020
P0 (atm) 0.100 0.100 0.100
∆P(atm) +0.140 -0.070 -0.070 Expt 2
Peq(atm) 0.240 0.030 0.030
→←
016.0)24.0(
03.003.0)16.0(
02.002.0)( 222
HI
IH 22 =×
=×
=×
P
PP
HIP2HP 2IP
22 IHHI 22 PPP ∆−=∆−=∆
일반적으로 평형에서 어떠한 경우든지 특정 온도에서화학종들의 부분압력의 비:
는 일정하며 K 와 같다. K값은 온도에 의존하고, 원래의 압력, 총 압력 혹은 부피 등에는 무관하다.
평형상수의 개념
2HI
IH
)(22
P
PP ×
12.2 The Equilibrium Constant(K) Expression
v 기체들만 포함된 경우
v 가스뿐 아니라 고체와 액체가 포함된 경우
v 수용액
v 평형상수들 간의 관계
평형상수의 표현 : 기체들만 포함된 경우
aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g)
•생성물은 분자로 반응물은 분모로 ! 계수는 지수로.
•기체 화학종 각각의 부분압력으로 단위는 기압(atm)으로.
←→
K =(PC )c × (PD)d
(PA )a × (PB)b
ba
dc
cba
dc
pBADC
KPPPP
K][][][][
,)()()()(
BA
DC
××
=××
=
CaCO3(s) CaO(s) + CO2(g)
Heterogeneous Equilibria
고체와 액체는 평형상수에 표시하지 않는다. (평형에서, 고체/액체가 존재할
때) 고체와 액체를 더하거나 제거하는 것은 평형에 어떠한 영향도 주지
않는다.
←→
K = PCO2
CO2(g) + H2(g) CO(g) + H2O(l)←→
constatmPPP
PPK :103, 3
OHHCO
OHCO'2
22
2 −×=×
×=Q
22 HCO
CO
PPP
K×
=
평형상수의 표현 : 수용액
용질은 몰농도로; 용매는 표시하지 않는다.
Ag(s)+2H+(aq)+NO3-(aq) Ag+(aq)+NO2(g)+H2O(l)←
→
K =[Ag+ ]× PNO2
[H+]× [NO3−]
12.3 Determination of K
N2O4(g) 2NO2(g)
100°C 평형에서,
K = (2.3)2/0.50 = 11
←→
atm 3.2 atm, 50.0242 NOON == PP
ex) 12.4
2HI(g) H2(g) + I2(g)
at 520C, 초기 =1.00 atm., at equil. =0.10atm.
평형에서
HIP 2HP
atmPatmPP 80.0)10.0(20.1,10.0 HIHI 22=−===
016.0)80.0(
01.001.0)( 22
HI
IH 22 =×
=×
=P
PPK
12.4 Application of K
일반적으로 평형상수, K 가 크다면 평형은 오른쪽으로치우쳐 있어서 생성물이 잘 생성됨을 뜻한다. 만약 K 가작다면, 평형의 위치는 반응물이 많은 쪽으로 치우쳐 있다.
• Direction of Reaction(반응의 방향)
• Extent of Reaction (반응의 정도)
반응의 방향 : 반응지수 QReaction Queotient(반응지수), Q
aA(g)+bB(g) cC(g)+dD(g)
‘실제 압력의 비’인 반응지수, Q 와 평형에서의 비, K를
• Q < K 라면, 정반응이 진행된다.
• Q > K 라면, 역반응이 진행된다.
• Q = K, 라면 이 계는 이미 평형에 도달하여 아무런 변화도 일어나지
않는다.
←→
ba
dc
PPPP
Q)()()()(
BA
DC
××
=
반응의 방향 결정의 예
2HI (g) H2(g) + I2(g) K = 0.016
• PHI = 0.100 atm, H2 와 I2는 없다고 가정
Q = 0, 반응계는 오른쪽으로 이동한다.
• 라고 가정
Q = (0.1x0.1)/(0.1)2 = 1, 반응계는 왼쪽으로 이동한다.
←→
PHI = PH2= PI2
= 0.100 atm
Extent of Reaction : Equil. Partial Pressure
초기 HI = 0.100 atm : 모든 화학종의 평형에서의 압력은? 단, K=0.016
2HI(g) H2(g) + I2(g)P0 0.100 0.000 0.000
∆P -2x +x +xPeq 0.100-2x x x
←→
x2
(0.100 − 2x)2 = 0.016 ; x
0.100 − 2x= 0.13 ; x = 0.010
PHI = 0.080 atm ; PH2= PI2
= 0.010 atm
12.5 Effect of Changes in Conditions on the Equilibrium System
v 기체화학종의 첨가 혹은 제거
v 압력의 증가(부피의 변화)
v 온도의 변화
Le Châtelier’s principle: 평형상태에 있는 계가 농도, 압력, 혹은
온도 변화에 의해 교란이 일어나면, 이 계는 가능한 한 이 변화의
효과를 부분적으로 상쇄하는 방향으로 이동 한다.
Adding or Removing a Gaseous Species
2HI(g) H2(g) + I2(g)
• H2 나 I2를 첨가하면 ; 역반응이 일어난다; PHI 증가, PH2 , PI2
감소
• H2 를 제거하면 ; HI 중 일부가 분해하여 H2 를 더 생산하려고
한다 ; 정반응이 일어난다; PHI 감소, PH2 , PI2 증가
←→
Compression or Expansion
압축의 즉각적인 효과는 분자의 농도의 증가이다. 이를 상쇄하기
위해서는 기체상 분자의 수를 감소시키는 반응이 진행된다.
압축 팽창
N2O4(g) 2NO2(g) ← →
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) → ←
H2(g) + I2(g) 2HI(g) 영향 없음
←→
←→
←→
change in Temperature
온도의 증가는 흡열반응을 일으킨다.
∆H T증가 T감소
N2O4(g) 2NO2(g) +58.2 kJ → ←
N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) -92.4 kJ ← →
만약 정반응이 흡열반응이면 온도의 증가는 정반응(K의 증가)을, 정반응이 발열반응이면 온도의 증가는 역반응(K의 감소)을진행시킨다.
←→
←→
the vant’s Hoff equation : Effect of Tempt. on K
N2 (g) + 3H2 (g) =2NH3(g) ∆H°=-92.2 kJ, K=6x105 at 25 °C
at 200 °C
K=4x102 at 200 °C (감소함)But, Kinetics : Haber Process
]11
[ln211
2
TTRH
KK
−°∆
=
5.7]373
1298
1[
/31.8/92200
106ln 5 −=−
⋅−
=× KKKmolJ
molJK
주요 개념
v K의 표현
v K의 계산
v K 와 반응의 방향, 반응의 예측
v르샤틀리에의 원리 : 온도, 압력(팽창, 수축)의 변화가평형에 미치는 영향