5-3-4. 르 샤틀리에의 원리
2. 평형 이동에 영향을 끼치는 요인/온도/농도/압력/
3. 수득률과 평형 이동의 법칙/수득률/수득률에 영향을 끼치는 요인/
날이 더우면 우리는 더위를 식히기 위하여
부채질을 하게 됩니다.
이와 같이 화학 반응도 평형 상태에 있을 때
외부 변화에 거스르는 방향으로 평형이 이동하게 되는데,
이제부터 공부할 내용은
평형 이동에 관한 르 샤틀리에의 원리입니다.
외부 조건 변화를 거스르는 쪽으로 평형이 이동하게 됩니다.
(1) 온도
온도가 변하면 평형 상수가 달라지므로 평형이 이동하게 되죠.
외부에서 가열하여 반응 온도가 올라가면
평형은 온도가 낮아지려는 쪽(흡열 반응)으로 이동하게 되고,
반응 용기를 냉각하면
평형은 온도가 높아지려는 쪽(발열 반응)으로 이동하게 됩니다.
(2) 농도
어떤 반응이 평형 상태에 있을 때 반응물이나 생성물을 첨가 또는 제거하면
그 영향을 없애는 방향으로 평형이 이동합니다.
위 화학 반응이 평형 상태에 있을 때 여기에 수소를 첨가하면
그 순간 평형 상수 K값이 순간적으로 감소하게 됩니다.
그러나 평형 상수는 온도에 따라서만 변하는 값이기 때문에
순간적으로 생긴 반응계의 혼란은
곧 K값을 원상 회복시키기 위한 반응이 일어남으로써
제자리로 돌아오게 되는데 이런 과정을 바로 평형의 이동이라 하죠.
새로운 평형 상태의 농도는 최초 평형의 농도와는 달라졌으나
최초의 평형 상태에 비하여 [H2], [HI]는 증가하고, [I2]는 감소하여
서로 상쇄되는 효과가 생기기 때문에 평형 상수 K값은 달라지지 않습니다.
(3) 압력
기체의 경우는 압력에 따라 부피가 달라져서
농도 변화 효과를 일으키기 때문에 평형 이동이 일어납니다.
다음 반응을 살펴 봅시다.
위 반응에서 반응 용기의 부피를 반으로 줄인다면
그 순간 압력은 2배가 될 것이고,
몰 농도는 (몰 수)/(부피)이므로 역시 2배가 될 것입니다.
이 때 모든 농도가 2배인 것을 평형 상수식에 대입하면
22/(2X23)=1/4이니까 K값이 순간적으로 1/4로 줄게 되지요.
그러나 여러분이 잘 알다시피
평형 상수는 온도가 변할 때에만 변하는 값이므로
K값을 원상 회복시키기 위하여 평형 이동이 일어나게 되는 겁니다.
순간적으로 1/4로 줄어든 것을 원상 회복시키려면
증가하는 방향으로 이동해야 하는데,
그러려면 질소와 수소가 줄어들고 암모니아가 늘어나는 쪽,
즉, 기체의 몰 수가 줄어드는 방향으로 평형 이동이 일어날 수밖에 없는 거죠.
지금까지 한 내용을 정리해 볼까요?
온도를 높이면(가열하면) 흡열 쪽으로,
온도를 낮추면(냉각하면) 발열 쪽으로
반응물을 첨가하면 반응물을 없애는 정반응 쪽으로,
반응물을 제거하면 역반응 쪽으로
생성물을 첨가하면 생성물을 없애는 반응(역반응) 쪽으로,
생성물을 제거하면 정반응 쪽으로
압력을 높이면(용기의 부피 감소)
반응 기체의 계수합이 작은(분자 수가 줄어드는) 쪽으로
압력을 낮추면(용기의 부피 증가)
반응 기체의 계수합 큰(분자 수가 늘어나는) 쪽으로
그러나 비활성 기체를 첨가하여 압력이 높아진다 해도
평형 이동은 일어나지 않습니다.
왜냐 하면 용기의 부피가 변하지 않으면 각 성분 기체의 농도도 변하지 않으므로
위에서 설명한 것과 같은 농도 변화 효과가 생기지 않기 때문입니다.
(예) 다음 각 반응에 대하여 평형 이동의 방향을 지적하라.
(1) 
(2) 
첫번째 반응은 양쪽의 기체 계수합이 같으므로 영향이 없고,
두번째 반응은 양쪽의 계수합은 같으나
고체인 탄소(C)는 압력과 무관하므로
반응물의 계수는 1 생성물의 계수는 2인 셈이라서 역반응 쪽으로 이동
두번째 반응에서 평형 상수 K를 나타내면
이므로 흑연 가루를 첨가해도
평형 상태는 영향을 받지 않는다
(1) 수득률
수득률은 반응에서 실제로 얻어낼 수 있는 생성물의 비율을 뜻하는데,
계산 방법은 실제 얻은 양을 이론상 얻을 수 있는 양으로 나누어
100을 곱해 %로 나타내죠.
가령, 앞에 예를 든 문제 중 암모니아 합성 반응의 경우를 생각해 보기로 합시다.
질소 28g과 수소 6g을 반응시켜 암모니아 17g이 생겼다면,
이론 상 완전 반응이 일어나면 암모니아가 34g 생겨야 하므로
이 반응의 수득률은 100 X 17/34 = 50%가 되는 겁니다.
(2) 수득률에 영향을 끼치는 요인
화학 반응의 수득률은 압력과 온도에 따라서 영향을 받으나
촉매는 반응 시간을 단축시켜 주긴 해도 평형 자체를 이동시키지 못하므로
수득률에도 영향을 끼치지 못합니다.
수득률이 크다 또는 증가한다는 것은 상대적으로 정반응이 잘 된다는 뜻으로,
수득률이 작다 또는 감소한다는 것은
상대적으로 역반응이 잘 된다는 뜻으로 해석합니다.
위 반응에서 압력과 온도에 따른 수득률의 변화에 대한 판단을 해 봅시다.
온도가 올라갈수록 ; 수득률이 감소 --> 역반응이 잘된다
온도가 올라갈수록 ; 평형은 흡열 쪽으로 이동
==> 역반응이 흡열 반응 ; 따라서 정반응은 발열 반응이므로 Q > 0
압력이 높아질수록 ; 수득률이 증가 --> 정반응이 잘된다
압력이 높아질수록 ; 평형은 기체 계수 합이 작은 쪽으로 이동
==> 정반응 쪽으로 계수 합이 작다 ; 따라서 a + b > c + d