Ⅳ. 역동적인 화학 반응
1. 동적 평형과 중화 반응
01. 동적 평형
1)가역 반응과 비 가역 반응
푸른색의 무수 염화 코발트는 물과 반응하면 붉은색의 염화 코발트 육수화물이 됩니다.
그리고 이 염화 코발트 육수화물을 가열하면 물분자가 제거되면서 다시 푸른색의 무수 염화 코발트로 돌아갑니다.
염화 코발트의 반응처럼 반응 조건에 따라 서로 반대 방향의 반응이 모두 일어날수있는 반응을 가역 반응이라고 합니다.
가역 반응은--->,<----으로 나타내며, 오른쪽으로 진행된느 반응을 정반응, 왼쪽으로 진행된는 반응을 역반응이라고 합니다.
대부분의 화학반응은 가역 반응이지만 정반응에 비해 역반응이 거의 일어나지 않는 반응도 있습니다.
이러한 반응을 비가역 반응이라고 합니다.
예를들어, 메테인을 연소시키면 이산화 탄소와 물이 생성되지만 이 생성물을 서로 반응시켜도 다시 메테인이 생성되지 않으므로 메테인의 연소 반응은 비가역 반응입니다.
2) 동적 평형 상태
물이 든 컵을 방안에 놓아두면 컵 안의 물이 증발하여 점점 들어드는 것을 볼 수 있습니다.
그러나 뚜껑을 닫아두면 오래 두어도 물이 줄어들지 않는 것처럼 보이는데, 밀폐된 용기에 들어 있는 물은 증발하지 않는것일까?
밀폐된용기에 들어 있는 물도 계속해서 증발합니다.
그럼에도 물의 높이가 변하지 않는 것처럼 보이는 것은 증발하는 물 분자 수와 액체 상태로 다시 응축하는 물 분자 수가 같기 때문입니다.
즉, 증발속도=응축속도 이여서물이 증발하고 있지만 겉보기에는 증발하지 않는 것처럼 보이는 것입니다.
물의 증발과 응축처럼 서로 반대 방향의 변화가 같은 속도로 일어나서 겉보기에 변화가 일어나지 않는 것처럼 보이는 상태를 동적 평형 상태라고 합니다.
상평형
액체 상태의 브로민을 플라스크에 넣고 밀폐하면 브로민이 증발하면서 적갈색의 브로민 기체가 됩니다.
브로민 기체 분자가 점점 많아지면 다시 액체 브로민으로 응축하는 분자도 많아져 어느 순간 브로민 기체의 적갈색은 더 이상 진해지지 않습니다.
즉, 증발속도=응축속도여서 실제는 증발하고 있지만 겉보기에 증발하지 않는 것처럼 보이는 동적 평형 상태에 도달하게 되는 것입입니다.
이렇게 브로민의 증발과 응축처럼 서로 다른 상태 사이에서 일어나는 동적 평형을 상평형이라고 합니다.
용해평형물에 설탕을 넣으면 처음에는 설탕이 빠르게 녹다가 점차 녹는 속도가 느려지는 것을 볼 수 있습니다.처음에 설탕을 물에 넣으면 설탕 분자가 물 분자에 둘러싸이면서 용해되기 시작합니다.용해된 설탕 분자는 물속에서 이리 저리 움직이다가 고체 설탕과 충돌해 다시 고체로 석출되고, 물에 용해되는 설탕이 많아질수록 석출되는 속도가 점점 빨라집니다.그리고 어느 순간 용해 속도=석출 속도 이여서 겉보기에 더이상 용해 되지 않는 것처험 보이는 상태가 되는데, 이것을 용해평형이라고 합니다.
02. 산과 염기
1)물의 자동 이온화
순수한 물에도 매우 적은 양이지만 이온이 존재합니다.
물 분자들은 수소 이온을 주고 받아서 하이드로늄 이온과 수산화 이온을 생성하며, 이와 같은 반응을 물의 자동 이온화라고 합니다.
물의 자동 이온화는 일정한 온도에서 정반응과 역반응이 같은 속도로 일어나는 일종의 동적 평형 상태입니다.
물이 자동 이온화할 때 하이드로늄 이온 농도와 수산화 이온 농도의 곱은 일정한 값을 가지는데, 이를 Kw로 나타내며 물의 이온화 상수라고 합니다.
그렇다면 순수한 물에 산이나 염기를 가하면 용액의 이온 농도는 어떻게 될까?
25도에서 순수한물은 H3O+와 OH-의 몰농도는 1.0×1/10000000 M로 같으며, 이러한 용액을 중성 용액이라고 합니다.
중성 상태의 물에 산을 가하면 상대적으로 수용액의 H3O+ > OH-(몰농도) 이 됩니다.
이러한 용액을 산성 용액이라고 합니다.
염기성 용액은 이와 반대입니다.
2)용액의 pH
산성, 중성, 염기성과 같은 수용액의 액성은 수소 이온 지수인 pH에 의해 결정됩니다.
03. 중화 반응
1)산과 염기
산은 물에 녹아 수소 이온을 만들고, 염기는 물에 녹아 수산화 이온을 만듭니다.
아레니우스는 산과 염기의 이런 특성을 이용해 아래와 같이 산과 염기를 정의 하였습니다.
- 아레니우스 산: 수용액에서 수소 이온을 내는 물질
- 아레니우스 염기: 수용액에서 수산화 이온을 내는 물질
그러나 암모니아 등과 같이 염기의 성질을 가지면서 아레니우스의 정의로 설명할 수 없는 물질이 있습니다.
브륀스테드와 로리는 각각 새로운 산과 염기의 정의를 제안 했습니다
- 브륀스테드-로리 산: 수소 이온을 주는 물질
- 브륀스테드-로리 염기: 수소 이온을 받는 물질
2)산 염기 중화 반응
산은 수소 이온을 내는 물질이고, 염기는 수산화 이온을 내는 물질이므로 산과 염기가 만나면 물이 생성되며, 이 반응을 중화 반응이라고 합니다.
화학 반응에서 구경꾼 이온을 제외하고, 반응에 참여한 물질로만 나타낸 것을 알짜 이온 반응식이라고 합니다.
산의 음이온과 염기의 양이온이 만나 이루어진 물질을 염이라고 합니다.
염산과 수산화 나트륨 수용액 반응에서는 염화 나트륨이 생성되고, 질산과 수산화 칼륨 수용액을 반응시키면 질산 칼륨이 생성됩니다.
중화 반응에서 생기는 염은 반응한 산과 염기의 종류에 따라 달라집니다.
3)중화 반응의 양적 관계
산성을 나타내는 수소 이온과 염기성을 나타내는 수산화 이온은 같은 수만큼 반응하여 중성이 되므로 농도를 알고 있는 산과 염기의 반응에서는 용액이 언제 중성이 되는지 예측할 수 있습니다.
그러나 농도를 모르는 산과 염기가 반응할 때는 언제 중성이 되는지 예측하기 어려운데, 이때 지시약의 색깔 변화를 통해 용액이 중성이 되는 순간을 찾을 수 있습니다.
염산과 수산화 나트륨이 수용약 같이 1몰당 1몰의 수소 이온과 1몰의 수솬화 이온을 내놓는 산과 염기는 완전히 중화 될때 다음과 같은 양적관게가 성립됩니다.
염산과 수산화 바륨 수용액의 반응에서는 수산화 바륨 1몰은 2몰의 수산화 이온을 내놓으므로 완전히 중화되기 위해서는 염산 2몰이 필요합니다.
따라서 일반적으로 1몰당 n몰의 수소이온을 내는 산과 1몰당 n'몰의 수산화 이온을 내는 염기가 반응하여 완전히 중화될때 다음과 같은 관계가 성립합니다nMV=n'M'V'
4)중화 적정농도를 모르는 일정한 부피의 산에 농도를 알고 있는 염기 용액을 조금씩 넣으면서 완정히 중화 시키는데 필요한 염기의 부피를 측정하면 산의 농도를 구할수 있습니다.이와 같이 중화 반응에서 산과 염기의 양적 관계를 이용해 농도를 모르는 산이나 염기의 농도를 알아내는 방법를 중화 적정이라고 합니다.
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