[유기화학] 6-7. 반응의 표현: 평형, 속도 및 에너지 변화 (Describing a reaction: Equilibria, rates, and energy changes)

 

• 모든 화학 반응은 정방향 또는 역방향으로 진행될 수 있다. 즉, 반응물은 정반응에 의해 생성물을 만들며, 생성물은 역반응을 통해 반응물로 돌아갈 수 있다.
• 화학 평형식과 평형 상수(Keq)

• 평형 상수(Keq): 생성물의 농도 곱을 반응물의 농도 곱으로 나눈 값으로, 반응의 방향을 판단할 수 있다.
  • if Keq > 1 ⇒ 정반응 우세
  • if Keq < 1 ⇒ 역반응 우세
• 평형 상수가 크다 = 생성물의 에너지가 반응물의 에너지보다 낮다 = 반응을 통해 에너지가 방출된다
• 주의: 평형 상수는 반응 속도와 무관하다.
  • 반응 속도 ⇒ 반응이 느린가, 빠른가
  • 평형 상수 ⇒ 반응이 어떤 방향으로 진행되는가

 

• 깁스 자유에너지 변화(Gibbs free-energy change, ΔG): 화학 반응이 진행되는 동안 전체 에너지 변화
  • ΔG < 0 ⇒ 에너지가 화학계(system)에서 주위(surroundings)로 방출 ⇒ 반응이 잘 일어남 ⇒ 자유에너지 감소(exergonic)
  • ΔG > 0 ⇒ 에너지가 주위로부터 화학계로 흡수 ⇒ 반응이 잘 일어나지 않음 ⇒ 자유에너지 증가(endergonic)
• 표준 자유에너지 변화 (ΔG°): 가장 안정한 상태의 순수한 물질이 1 atm과 298 K 등 표준 상태에서 반응이 일어날 때의 자유에너지 변화

 

• 자유에너지와 엔탈피, 엔트로피 간의 관계
  • ΔG° = ΔH° - TΔS°
  • 엔탈피 항이 엔트로피항보다 항상 더 큰 값이고, 더 우세함.

 

• 엔탈피 변화(ΔH): 반응이 일어나는 동안의 전체 결합 에너지의 변화량
  • 반응열(heat of reaction)이라고도 함.
  • ΔH < 0 : 발열(exothermic) → 반응물 결합 < 생성물 결합, 열 방출
  • ΔH > 0 : 흡열(endothermic) → 반응물 결합 > 생성물 결합, 열 흡수

 

• 엔트로피 변화(ΔS): 반응에 의해 생겨나는 분자들의 무질서한 양이나 반응에서 동반되는 운동의 자유도 양
  • ΔS > 0 : A → B + C 처럼 제거 반응으로 한 분자가 두 분자로 쪼개지면 생성물에서 이동의 자유도와 분자의 무질서도가 증가함.
  • ΔS < 0 : A + B → C 처럼 서로 결합하여 이동의 자유도가 줄어들어 생성물이 덜 무질서함.

 

• 표 6-2. 열역학적인 양의 설명: ΔG° = ΔH° - TΔS°

 

 

Problem 6-10. Which reaction is more energetically favored, one with ΔG° = -44 kJ/mol or one with ΔG° = + 44 kJ/mol?

 

Answer.

ΔG° = -44 kJ/mol

 

 

Problem 6-11. Which reaction is likely to be more exergonic, one with Keq = 1000 or one with Keq = 0.001?

 

Answer.

Keq = 1000