의 반응에서 평형 상수는 5-3-3. 평형 상수
앞에서 공부한 바와 같이 평형 상태에서는
반응물과 생성물의 농도가 일정하므로
그 농도의 비가 상수로 나타나게 됩니다.
이제부터 공부할 내용은
평형 상태를 수치화하여 나타내는 방법으로서
평형 상수에 관한 것입니다.
의 반응에서 평형 상수는
로 나타내며, 이것을 화학 평형의 법칙이라 합니다.
정해진 반응의 평형 상수는 오로지 온도에 의해서만 달라진다는
사실을 꼭 기억하기 바랍니다.
촉매, 압력, 농도를 변화시켜도
온도가 변하지 않는 한 평형 상수는 변하지 않습니다.
(예) 일정한 온도에서 다음 반응식의 평형 상수 K가 100 이다.
온도가 변하지 않을 때 다음 각 반응에 대한 평형 상수를 구하면?
[풀이] 문제에 처음 주어진 반응식에 대한 평형 상수 K를 나타내면
가 된다.
문제의 (ㄱ)과 (ㄴ)의 평형 상수를 각각 K', K"이라 할 때
이 된다.
** 조심할 것
평형 상수는 반드시 문제에서
주어진 반응식대로만나타내야 한다는 사실입니다.
다음과 같은 반응의 평형 상수를 보고 그 뜻을 생각해 봅시다.
반응식 (ㄱ)에서 평형 상수값이 매우 작은 것은
평형 상태에서 반응물의 농도에 비해
생성물의 농도가 무척 작은 값을 갖기 때문이며,
이것은 평형이 대부분 반응물 쪽에 치우쳐 (반응물 우세) 있음을 말해줍니다.
반응식 (ㄴ)에서 평형 상수값이 굉장히 큰 값을 나타내는데,
이것은 평형 상태에서 거의 대부분이 생성물의 상태로 유지되고
(생성물 우세) 있음을 뜻합니다.
그러나 평형 상태에서
정반응 속도와 역반응 속도는 같다는 점을 잊지 말아야죠?
그림에서 왼쪽 어항은 먹이가 많으니까 붕어가 많고,
오른쪽 어항은 먹이가 적어서 붕어가 적지만
왼쪽 어항에서 오른쪽 어항으로 이동하는 붕어와
오른쪽 어항에서 왼쪽 어항으로 이동하는 붕어의 수가 서로 같으면
각 어항에 들어 있는 붕어의 수는 일정하게 유지됩니다.
이것이 평형 상태인 것입니다.
서로 상태가 달라서 잘 섞일 수 없는 물질들 간에
평형을 이루는 경우를 불균일 평형이라고 합니다.
고체와 액체, 고체와 기체 간의 평형인 경우
고체 순물질은 일정 온도에서 밀도가 일정하므로 자신의 농도도 일정하게 됩니다.
따라서 평형 상수를 나타낼 때
고체 순물질은 제외한 다른 물질들의 농도 만으로 표현합니다.
다음 반응식을 볼까요?
위에서 고체인 탄산칼슘, 산화칼슘, 아연, 구리 등은 순물질이며
온도가 일정하면 일정한 밀도를 갖는데,
다음식으로부터 밀도 = (질량)/(부피), 몰 농도 = (몰 수)/(부피),
몰 수 = (질량)/(화학식량)
몰 농도를 다시 계산하면 몰 농도 = (몰 수)/(부피) = (질량)/(화학식량X부피)
= (밀도)/(화학식량)이 됩니다.
여기서 밀도가 일정하고 순물질의 화학식량도 일정하므로
순물질의 몰 농도도 일정한 값을 갖게 되는 거죠.
또한 우리가 사용하는 용액은 대부분 묽은 용액이므로
용매가 용질에 비해 일방적으로 많이 존재하여
용매의 농도도 거의 일정하기 때문에
용매의 농도도 평형 상수에는 포함시키지 않습니다.
온도를 일정하게 하였을 때 평형 상수와
처음 농도를 대입해 계산한 반응비를 비교하면
반응의 진행을 예측할 수 있습니다.
예를 들어, 수소와 요오드가 반응하여 요오드화수소가 생기는 반응에서
어느 온도에서 다음과 같이 나타나는 평형 상수값이 10 이라 할 때,
처음에 1L 용기에 수소, 요오드, 요오드화수소를
각각 1몰, 2몰, 3몰씩 넣고 반응시킨다면
정반응과 역반응 중 어느 쪽이 우세하게 진행될 것인지 예상해 보기로 합시다.
모든 가역 반응은 평형을 향해 진행된다는 점을 기억해 둔다면
처음 각 물질의 농도가 [H2]=1M, [I2]=2M, [HI]=3M 이고,
평형 상수식에 이 농도값을 대입해 계산한 값은 평형 상수가 아니므로
(왜냐 하면 평형 상수는 평형일 때의 농도를 대입한 값이기 때문)
이 값을 Q라 하여 평형 상수 K와 비교할 수 있습니다.
이 경우는 Q = 32/(1X2) = 4.5 이고, K = 10 보다 작으므로
이 반응이 평형을 향해 가기 위해서는
Q값이 증가하는(4.5에서 10을 향해) 방향으로 반응이 진행될 것이며,
따라서 식의 분모에 있는 [H2], [I2]는 줄어들고
[HI]는 늘어나는 쪽으로 반응이 진행될 것입니다.
즉, 처음에 정반응 속도가 역반응 속도보다 더 빠르게 진행하다가
점점 정반응 속도와 역반응 속도가 같아져 평형에 이르게 되는 것이죠.
일반화하여 정리하면
Q > K ; 역반응이 우세하게 진행하다가 평형에 이른다.
Q = K ; 평형 상태
Q < K ; 정반응이 우세하게 진행하다가 평형에 이른다.