화학의 평형

화학에서 평형이란, 정반응과 역반응의 속도가 같아 겉보기에는 아무런 변화가 일어나지 않는 상태를 말한다. 예를 들면 다음과 같은 용해평형이 있다.

$\rm{NaCl_{(s)} \rightleftharpoons Na^{+}_{(aq)}+Cl^{-}_{(aq)}}$

위 반응식은 염화소듐(NaCl)이 물에 용해되는 반응을 나타낸 화학식이다. 화살표가 양쪽으로 있는 것은 NaCl이 이온으로 용해되는 반응과 물속 이온이 염화소듐으로 석출되는 반응이 둘 다 일어나고 있음을 말한다. 이때 왼쪽물질에서 오른쪽 물질로 변하는 반응을 정반응, 그 반대를 역반응이라고 한다.

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가역반응과 비가역반응

반응이 가역적(可逆過程, reversible process)이라는 것은 그 반응의 역반응이 존재하다는 뜻(정확히는 역반응이 충분히 일어난다는 뜻)이다. 앞서 알아본 용해반응이 이 가역반응의 일종이다. 가역반응은 상태를 조금 바꿔줌으로써 역반응, 혹은 정반응이 우세하도록 조절할 수 있다. 앞선 용해반응을 예로 들면 가열을 해서 용매를 증발시키면 역반응이 활발해지고, 물을 더 넣어 침전된 소금을 녹이면 정반응이 우세해진다.

반응이 비가역적(非可逆的, irreversible process)이라는 것은 그 반응의 역반응이 매우 미미하거나 없다는 뜻이다. 예를 들어 $\rm{2CH_3OH(l)+3O_2(g) \rightarrow 2CO_2(g) +4H_2O(l)}$로 표현되는 메탄올의 연소반응은 한방향으로만 진행된다. 이는 생성물인 물과 이산화탄소이 매우 안정되어있기 때문이다.

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평형상수

정반응과 역반응이 모두 있는 가역적인 반응에는 평형상수라는 것이 있다. 평형상수란 반응물과 생성물이 평형을 이루고 있을 때 각 물질의 몰농도로 정해지는 값이다. 반응 $\rm{aA+bB \rightleftharpoons cC+dD}$에서 평형상수 $K$는 다음과 같이 정해진다.

$K=\rm{\frac{[C]^c [D]^d}{[A]^a [B]^b}}$

이때 $[X]$는 물질 X의 몰농도를 말한다. 또한 평형상수는 온도에만 영향을 받으며, 물질의 초기농도와는 상관이 없다. 또한 $K_f$를 정반응의 평형상수라고 하면 역반응의 평형상수 $K_r$과 $K_fK_r=1$이 성립한다. 즉, 이 둘은 역수관계이다.

또한 반응중 임의의 순간에서 평형상수와 같은 방법으로 구한 값을 반응지수라고 한다. 임의의 순간에 대해 반응지수 $Q$는 다음과 같이 구한다.

$Q=\rm{\frac{[C]^c [D]^d}{[A]^a [B]^b}}$

여기서 평형상수 $K$와 반응지수 $Q$와의 관계는 다음과 같다.

• $K<Q$: 역반응 우세(반응물의 농도가 더 높으므로)
• $K>Q$: 장반응 우세(생성물의 농도가 더 높으므로)
• $K=Q$: 평형상태

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르샤틀리에 법칙

화학은 안정된 상태를 좋아한다. 그래서 평형을 이룬 상태에서 어떤 외부 변화가 평형을 깨뜨리면 다시 새로운 평형으로 돌아가려 한다. 이 법칙이 바로 르샤틀리에 법칙이다.

예를 들어 소금의 용해/석출 반응에서 소금이 더해져 반응물이 증가한 경우 기존에 정반응과 역반응의 속도가 같던 상태에서 정반응이 우세하게 되어 새로운 소금이 물에 용해된다. 결국 용액은 다시 평형을 되찾는다. 반대로 물이 증발하면 소금이 석출되는 역반응이 우세하게 되어 소금이 석출되고, 용액은 다시 평형을 되찾는다.

르샤틀리에 법칙은 압력으로도 해석할 수 있다. 만일 반응물과 생성물이 들어있는 통의 압력이 증가하면 압력을 낮추기 위해 기체의 분자수가 감소하는 반응이 우세해진다. 반대로 통의 압력이 감소하면 압력을 증가시키기 위해 기체의 분자수를 증가시키는 방향의 반응이 우세해진다.

예를 들어 반응 $\rm{N_2O_4 \rightleftharpoons 2NO_2}$(발열반응)에서는 다음과 같이 평형을 유지하려 한다.

• 이산화질소를 제거한 경우: 정반응이 우세하게 일어나 $\rm{NO_2}$가 생성된다
• 사산화이질소를 더 넣은 경우: 정반응이 우세하게 일어나 $\rm{NO_2}$가 생성된다.
• 압력이 증가하는 경우: 기체분자수를 감소시키려 정반응이 우세하게 일어난다.
• 압력이 감소하는 경우: 기체분자수를 증가시키려 역반응이 우세하게 일어난다.
• 온도가 증가하는 경우: 온도를 낮추려 흡열반응이 우세하게 진행