화학 평형
밀폐된 플라스크 속 갈색 NO₂ 기체는 시간이 지나도 색이 일정해진다. 반응이 멈춘 것처럼 보이지만, 분자 수준에서는 NO₂가 N₂O₄로 합쳐지고 N₂O₄가 다시 쪼개지는 일이 같은 속도로 끝없이 일어나고 있다. 이 장에서는 그 동적 평형을 하나의 숫자, 평형 상수로 나타내고, 평형 농도를 계산하며, 조건을 바꾸었을 때 평형이 어느 쪽으로 이동하는지 예측한다.
- 동적 평형을 정반응·역반응 속도가 같아진 상태로 설명하고, K = kf/kr를 이해한다.
- 질량 작용 법칙으로 Kc·Kp 식을 쓰고, Kp = Kc(RT)Δn으로 환산한다.
- K의 크기를 해석하고, 반응식을 뒤집거나 곱하거나 더할 때 K가 어떻게 바뀌는지, 불균일 평형에서 무엇을 빼는지 안다.
- 반응 지수 Q를 K와 비교해 반응이 진행할 방향을 판단한다.
- ICE 표를 세우고 근의 공식이나 근사(5% 규칙)로 평형 농도를 구한다.
- 르샤틀리에 원리로 농도·압력·부피·온도·촉매의 효과를 예측하고, 반트호프 식으로 K(T)를 계산한다.
동적 평형
13장의 반응들은 대개 한 방향으로만 진행한다고 보았다. 그러나 실제로 모든 반응은 원리적으로 거꾸로도 일어난다. 무색의 N₂O₄를 밀폐 용기에 넣으면 일부가 갈색 NO₂로 쪼개진다.
처음에는 N₂O₄만 있으므로 정반응만 일어난다. NO₂가 쌓이면 NO₂끼리 부딪혀 N₂O₄로 돌아가는 역반응이 빨라지고, 정반응은 N₂O₄가 줄면서 느려진다. 결국 두 속도가 같아지면 각 물질의 농도가 더 이상 변하지 않는다. 이 상태를 화학 평형(chemical equilibrium)이라 한다. 반응은 멈춘 것이 아니라 양쪽으로 같은 속도로 계속 일어나므로 동적 평형이다.
평형에서 정반응 속도 = 역반응 속도이다. 두 방향이 모두 단일 단계라면 \(k_f[\ce{N2O4}] = k_r[\ce{NO2}]^2\)이고, 정리하면
평형에 접근하기: 농도와 속도
평형 상수와 질량 작용 법칙
1864년 굴드베르그와 보게는 여러 실험에서, 평형 농도를 계수만큼 거듭제곱해 생성물/반응물로 나눈 값이 일정하다는 것을 발견했다. 이것을 질량 작용 법칙(law of mass action)이라 한다.
[ ]는 평형에서의 몰농도. 지수는 균형 맞춘 반응식의 계수다(속도 법칙과 달리 실험으로 정할 필요가 없다). \(K_c\)는 온도에만 의존한다.
엄밀하게 K는 각 농도를 표준 농도 1 M(기체는 표준 압력)로 나눈 "활동도"로 정의되어 단위가 없다. 그래서 이 책에서도 K에 단위를 붙이지 않는다. 다만 수치는 농도(M)나 압력(atm)을 그대로 넣은 값과 같다.
어떤 온도에서 \(\ce{N2(g) + 3H2(g) <=> 2NH3(g)}\)의 평형 혼합물을 분석했더니 [N₂] = 0.921 M, [H₂] = 0.763 M, [NH₃] = 0.157 M였다. \(K_c\)는?
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기체 반응의 Kp
기체의 농도는 분압에 비례하므로(\([\ce{A}] = n/V = P_\ce{A}/RT\)) 분압으로 평형 상수를 쓸 수도 있다.
500 °C에서 \(\ce{N2(g) + 3H2(g) <=> 2NH3(g)}\)의 \(K_p = 1.45\times10^{-5}\)이다(압력 atm). 같은 온도의 \(K_c\)는?
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K의 크기, 반응식 조작, 불균일 평형
K의 크기가 말해 주는 것
K는 분자에 생성물, 분모에 반응물이 있으므로 그 크기로 평형의 위치를 바로 읽을 수 있다.
H₂와 O₂의 혼합물은 K가 엄청나게 크지만 불꽃이 없으면 몇 년이 지나도 반응하지 않는다. K는 평형이 어디에 있는지를, 속도 상수와 활성화 에너지(13장)는 평형에 얼마나 빨리 가는지를 말한다.
반응식 조작과 K
| 반응식을 | 새 평형 상수 | 예 |
|---|---|---|
| 뒤집으면 | \(K' = 1/K\) | \(\ce{2NO2 <=> N2O4}\): \(1/(4.64\times10^{-3}) = 216\) |
| \(n\)배 하면 | \(K' = K^n\) | \(\tfrac12\ce{N2O4 <=> NO2}\): \((4.64\times10^{-3})^{1/2} = 0.0681\) |
| 두 식을 더하면 | \(K = K_1K_2\) | 다단계 평형의 전체 K는 각 단계 K의 곱 |
어떤 온도에서 다음 값이 알려져 있다. (1) \(\ce{N2(g) + O2(g) <=> 2NO(g)}\), \(K_1 = 4.3\times10^{-25}\); (2) \(\ce{2NO(g) + O2(g) <=> 2NO2(g)}\), \(K_2 = 6.4\times10^{9}\). (a) \(\ce{N2(g) + 2O2(g) <=> 2NO2(g)}\)와 (b) \(\ce{NO2(g) <=> 1/2N2(g) + O2(g)}\)의 K를 구하라.
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(b) \(K' = (1/K)^{1/2} = (1/2.75\times10^{-15})^{1/2} = 1.9\times10^{7}\).
불균일 평형
반응물과 생성물이 서로 다른 상에 있는 평형을 불균일 평형(heterogeneous equilibrium)이라 한다. 순수한 고체와 순수한 액체는 K 식에서 뺀다. 이들의 "농도"(밀도/몰 질량)는 양이 얼마든 일정하고, 활동도가 1이기 때문이다. 묽은 용액의 용매(물)도 같은 이유로 뺀다.
반응 지수 Q와 반응의 방향
임의의 순간(평형이 아니어도)의 농도를 K 식에 넣은 값을 반응 지수(reaction quotient) Q라 한다. Q를 K와 비교하면 반응이 어느 쪽으로 진행할지 알 수 있다.
직관적으로, Q < K는 생성물이 "모자란" 상태이므로 생성물을 더 만드는 쪽으로, Q > K는 생성물이 "넘치는" 상태이므로 반응물 쪽으로 간다. 어느 경우든 Q가 K에 가까워지는 방향이다.
Q 대 K 방향 게이지: 하버 공정 (500 °C)
500 °C(\(K_c = 0.0584\))에서 1.00 L 용기에 N₂ 0.50 mol, H₂ 0.30 mol, NH₃ 0.010 mol을 넣었다. 반응은 어느 방향으로 진행하는가?
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평형 농도 계산: ICE 표
처음 농도와 K를 알 때 평형 농도를 구하는 표준 방법은 ICE 표다. 처음(Initial), 변화(Change), 평형(Equilibrium)의 세 줄로 농도를 정리한다. 변화량은 미지수 하나 \(x\)와 계수비로 쓴다.
- 균형 맞춘 반응식과 K 식을 쓴다. 필요하면 Q로 방향을 정한다.
- I 줄에 처음 농도(mol ÷ L)를 쓴다.
- C 줄에 \(-ax, -bx, +cx, +dx\)처럼 계수를 곱한 변화를 쓴다.
- E 줄 = I + C를 K 식에 넣어 \(x\)를 푼다. 근이 둘이면 농도가 음수가 되지 않는 근을 고른다.
- E 줄 값으로 K를 다시 계산해 검토한다.
448 °C에서 \(\ce{H2(g) + I2(g) <=> 2HI(g)}\)의 \(K_c = 50.5\)이다. 1.000 L 용기에 H₂ \(1.000\times10^{-3}\) mol과 I₂ \(2.000\times10^{-3}\) mol을 넣었을 때 평형 농도는?
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| [H₂] | [I₂] | [HI] | |
|---|---|---|---|
| I | 1.000×10⁻³ | 2.000×10⁻³ | 0 |
| C | −x | −x | +2x |
| E | 1.000×10⁻³ − x | 2.000×10⁻³ − x | 2x |
K가 작을 때의 근사와 5% 규칙
K가 매우 작으면 반응이 조금밖에 진행하지 않아 \(x\)가 처음 농도보다 훨씬 작다. 그러면 \([\ce{A}]_0 - x \approx [\ce{A}]_0\)로 놓아 식을 간단히 할 수 있다. 근사 후에는 반드시 \(x/[\ce{A}]_0\)가 5% 미만인지 확인한다. 넘으면 근의 공식(또는 반복 대입)으로 다시 푼다. 처음 농도에 비해 K가 대략 1/1000 이하일 때 근사가 잘 맞는다.
25 °C에서 \(\ce{N2O4(g) <=> 2NO2(g)}\)의 \(K_c = 4.64\times10^{-3}\)이다. [N₂O₄]₀ = 0.100 M에서 시작할 때 평형 농도를 구하라.
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정확한 풀이: \(4x^2 = 4.64\times10^{-3}(0.100 - x)\) → \(4x^2 + 4.64\times10^{-3}x - 4.64\times10^{-4} = 0\). $$x = \frac{-4.64\times10^{-3} + \sqrt{(4.64\times10^{-3})^2 + 16(4.64\times10^{-4})}}{8} = 0.0102$$
ICE 표 풀이기
Chem.quadPos)으로, 차수가 더 높은 하버 공정은 이분법(Chem.bisect)으로 푼다. 해볼 것: ① 예제의 HI 조건을 확인하라. ② ‘작은 K’ 반응에서 근사가 5% 규칙을 만족하는지 보고, K를 1e-2로 키워 근사가 깨지는 순간을 찾아라. ③ 생성물을 처음부터 넣어 Q > K로 만들면 x가 역방향으로 정의된다.르샤틀리에 원리
평형 상태의 계에 농도·압력·온도 변화 같은 교란을 주면, 계는 그 교란을 부분적으로 상쇄하는 방향으로 이동해 새로운 평형에 이른다.
원리 자체는 정성적이지만, 대부분은 Q와 K의 비교로 정확히 설명된다. 농도와 압력 변화는 Q를 바꾸고(K는 그대로), 온도 변화만 K 자체를 바꾼다.
| 교란 | 무엇이 바뀌나 | 평형 이동 |
|---|---|---|
| 반응물 추가 / 생성물 제거 | Q 감소 (Q < K) | 정반응 쪽 (→) |
| 생성물 추가 / 반응물 제거 | Q 증가 (Q > K) | 역반응 쪽 (←) |
| 부피 감소(압력 증가) | Δn ≠ 0이면 Q 변화 | 기체 몰수가 적은 쪽 |
| 비활성 기체 추가(부피 일정) | 분압 그대로, Q 불변 | 이동 없음 |
| 온도 상승 | K 변화 | 흡열 방향 (흡열 반응이면 K 증가) |
| 촉매 | 아무것도 | 이동 없음 (평형에 빨리 도달) |
압력과 부피
\(\ce{N2O4 <=> 2NO2}\)의 부피를 절반으로 줄이면 모든 농도가 두 배가 된다. 분자는 2제곱, 분모는 1제곱이므로 \(Q = (2[\ce{NO2}])^2/(2[\ce{N2O4}]) = 2K\), 곧 Q > K가 되어 역반응(몰수가 적은 쪽)으로 이동한다. 일반적으로 부피를 \(1/n\)로 줄이면 \(Q_c = n^{\Delta n}K_c\)이다.
온도와 반트호프 식
온도는 K 자체를 바꾼다. 열을 반응물이나 생성물처럼 생각하면 방향을 기억하기 쉽다. 흡열 반응(\(\Delta H^\circ > 0\))은 "반응물 + 열 ⇌ 생성물"이므로 가열하면 정반응으로 가고 K가 커진다. 발열 반응은 가열하면 K가 작아진다. 정량적으로는 반트호프 식(van 't Hoff equation)을 쓴다(17장에서 \(\Delta G^\circ = -RT\ln K\)로부터 유도한다).
르샤틀리에 교란 실험: N₂O₄ ⇌ 2NO₂
\(\ce{N2(g) + 3H2(g) <=> 2NH3(g)}\), \(\Delta H^\circ = -92.2\) kJ의 평형 혼합물에 다음 변화를 주었다. 평형은 어느 쪽으로 이동하며 K는 어떻게 되는가? (a) H₂ 추가 (b) NH₃ 제거 (c) 부피 감소 (d) 온도 상승 (e) 철 촉매 추가
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\(\ce{N2O4(g) <=> 2NO2(g)}\)의 \(K_p\)는 298 K에서 0.114, \(\Delta H^\circ = +57.2\) kJ/mol이다. 350 K에서의 \(K_p\)를 구하라.
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핵심 정리
- 화학 평형은 정반응·역반응 속도가 같아진 동적 상태이며, \(K = k_f/k_r\)는 온도만의 함수다. 평형은 어느 쪽에서든 접근할 수 있다.
- 질량 작용 법칙: \(K_c = [\ce{C}]^c[\ce{D}]^d/[\ce{A}]^a[\ce{B}]^b\)(지수 = 계수). 기체는 \(K_p = K_c(RT)^{\Delta n}\). 순수 고체·액체는 K 식에서 뺀다.
- K ≫ 1이면 생성물 쪽, K ≪ 1이면 반응물 쪽으로 치우친다. 반응식을 뒤집으면 1/K, n배 하면 Kⁿ, 더하면 곱.
- Q < K이면 정반응, Q > K이면 역반응이 진행해 Q가 K에 다가간다.
- ICE 표로 평형 농도를 구한다. 2차식은 근의 공식으로 풀고 물리적으로 가능한 근을 고른다. 작은 K는 근사 후 5% 규칙으로 확인한다.
- 르샤틀리에 원리: 농도·압력 변화는 Q를, 온도는 K를 바꾼다. 압축하면 기체 몰수가 적은 쪽, 가열하면 흡열 쪽으로 이동한다. 촉매는 평형을 바꾸지 않는다.
- 반트호프 식 \(\ln(K_2/K_1) = -(\Delta H^\circ/R)(1/T_2 - 1/T_1)\)으로 다른 온도의 K를 구한다.
연습문제
답은 유효숫자 3자리 정도로 입력한다. ±1% 이내면 정답으로 처리한다. 지수는 2.5e-3 또는 2.5×10^-3 형식으로 쓴다. \(R = 0.08206\) L·atm/(mol·K) = 8.314 J/(mol·K).
\(\ce{2SO2(g) + O2(g) <=> 2SO3(g)}\)의 평형에서 [SO₂] = 0.0500 M, [O₂] = 0.0300 M, [SO₃] = 0.200 M이다. \(K_c\)는?
\(K_c = (0.200)^2/[(0.0500)^2(0.0300)] = 0.0400/7.50\times10^{-5} = 533\).
25 °C에서 \(\ce{N2O4(g) <=> 2NO2(g)}\)의 평형 분압이 \(P_{\ce{NO2}} = 0.310\) atm, \(P_{\ce{N2O4}} = 0.850\) atm이다. \(K_p\)는?
\(K_p = (0.310)^2/0.850 = 0.113\).
250 °C에서 \(\ce{PCl5(g) <=> PCl3(g) + Cl2(g)}\)의 \(K_p = 1.80\)이다. \(K_c\)는?
\(K_c = 1.80/[(0.08206)(523.15)] = 1.80/42.93 = 0.0419\).
448 °C에서 \(\ce{H2(g) + I2(g) <=> 2HI(g)}\)의 \(K_c = 50.5\)이다. 같은 온도에서 \(\ce{2HI <=> H2 + I2}\)와 \(\ce{HI <=> 1/2H2 + 1/2I2}\)의 평형 상수는?
뒤집기: \(1/50.5 = 0.0198\). 뒤집고 ½배: \((0.0198)^{1/2} = 0.141\).
(1) \(\ce{2NOBr(g) <=> 2NO(g) + Br2(g)}\), \(K_1 = 0.014\); (2) \(\ce{Br2(g) + Cl2(g) <=> 2BrCl(g)}\), \(K_2 = 7.2\)일 때, \(\ce{2NOBr(g) + Cl2(g) <=> 2NO(g) + 2BrCl(g)}\)의 K는?
(1) + (2)에서 Br₂가 지워지므로 \(K = K_1K_2 = (0.014)(7.2) = 0.101\).
\(\ce{3Fe(s) + 4H2O(g) <=> Fe3O4(s) + 4H2(g)}\)의 \(K_c\) 식으로 옳은 것은?
순수한 고체 Fe와 Fe₃O₄는 빼고, 기체의 계수는 지수로 남긴다.
500 °C(\(K_c = 0.0584\))에서 [N₂] = 0.10 M, [H₂] = 0.10 M, [NH₃] = 0.050 M인 혼합물이 있다. \(\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3}\)은 어느 방향으로 진행하는가?
\(Q = (0.050)^2/[(0.10)(0.10)^3] = 2.5\times10^{-3}/1.0\times10^{-4} = 25 > 0.0584\). 생성물이 너무 많으므로 역반응이 진행한다.
\(\ce{2SO3(g) <=> 2SO2(g) + O2(g)}\). 처음 [SO₃] = 0.100 M만 넣었고, 평형에서 [O₂] = 0.0150 M였다. \(K_c\)는?
E: [SO₃] = 0.100 − 0.0300 = 0.0700, [SO₂] = 0.0300, [O₂] = 0.0150. \(K_c = (0.0300)^2(0.0150)/(0.0700)^2 = 2.76\times10^{-3}\).
448 °C(\(K_c = 50.5\))에서 H₂와 I₂를 각각 0.200 M씩 넣었다. 평형에서 [HI]와 [H₂]는?
\(\sqrt{50.5} = 7.106\). \(2x = 7.106(0.200 - x)\) → \(x = 1.421/9.106 = 0.1561\). [HI] = 2x = 0.312 M, [H₂] = [I₂] = 0.0439 M.
250 °C에서 \(\ce{PCl5(g) <=> PCl3(g) + Cl2(g)}\)의 \(K_c = 0.0420\)이다. [PCl₅]₀ = 0.100 M에서 시작하면 평형 농도는?
\(x^2 + 0.0420x - 0.00420 = 0\) → \(x = [-0.0420 + \sqrt{0.0420^2 + 4(0.00420)}]/2 = 0.0471\). [PCl₃] = [Cl₂] = 0.0471 M, [PCl₅] = 0.0529 M.
어떤 고온에서 \(\ce{N2(g) + O2(g) <=> 2NO(g)}\)의 \(K_c = 1.0\times10^{-5}\)이다. [N₂]₀ = 0.80 M, [O₂]₀ = 0.20 M에서 시작할 때 평형 [NO]는?
\((2x)^2/[(0.80)(0.20)] = 1.0\times10^{-5}\) → \(x = 6.32\times10^{-4}\), [NO] = 1.26 × 10⁻³ M. 확인: \(x/0.20 = 0.32\%\) < 5%, 근사 타당.
\(\ce{N2(g) + 3H2(g) <=> 2NH3(g)}\)의 \(K_p\)는 298 K에서 \(5.8\times10^{5}\), \(\Delta H^\circ = -92.2\) kJ이다. 400 K에서의 \(K_p\)는?
\(\ln(K_2/K_1) = -\dfrac{-92\,200}{8.314}\left(\dfrac{1}{400} - \dfrac{1}{298.15}\right) = -9.474\) → \(K_2 = 5.8\times10^5\times e^{-9.474} = 44.7\). 발열 반응이므로 K가 크게 줄었다.
\(\ce{CO(g) + 2H2(g) <=> CH3OH(g)}\), \(\Delta H^\circ < 0\). 메탄올의 평형 수득률을 높이는 변화는?
기체 3 mol → 1 mol이므로 압축하면 오른쪽으로 이동한다. 가열은 발열 반응의 K를 줄이고, 촉매와 비활성 기체(부피 일정)는 평형을 바꾸지 않는다.
25 °C의 단단한 용기에 N₂O₄만 1.00 atm 넣었다. \(\ce{N2O4 <=> 2NO2}\)의 \(K_p = 0.1135\)일 때 평형의 전체 압력과 N₂O₄의 해리 분율은?
\(4y^2/(1.00 - y) = 0.1135\) → \(4y^2 + 0.1135y - 0.1135 = 0\) → \(y = 0.155\). 전체 압력 1.155 atm, 해리 분율 15.5%. 이때 \(P_{\ce{NO2}} = 0.310\) atm으로 2번 문제의 자료와 같다.
개념 확인 퀴즈
평형 상태에 대한 설명으로 옳은 것은?
\(\ce{H2(g) + I2(g) <=> 2HI(g)}\)의 평형 혼합물을 압축하면?
어떤 흡열 반응의 온도를 올리면?
Q > K인 혼합물에서 일어나는 일은?
\(\ce{CaCO3(s) <=> CaO(s) + CO2(g)}\)의 평형 용기에 CaCO₃ 고체를 더 넣으면?