나뭇잎 교과서

가역 반응과 동적 평형

어떤 반응은 끝까지 가지 않고 중간에서 멈춘 것처럼 보입니다. 그때 입자들은 정말 쉬고 있을까요? 이 절에서는 겉으로 변화가 없는 상태 안에서 무엇이 계속 일어나는지 입자 수준에서 살펴봅니다.

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가역 반응과 동적 평형

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뚜껑을 꼭 닫은 병에 물을 반쯤 넣어 두면, 처음에는 물이 조금 줄다가 어느 순간부터 더는 줄지 않는다. 증발이 멈춘 것일까? 물 분자 하나하나를 볼 수 있다면, 그 병 속에서는 무슨 일이 일어나고 있을까?

그림 1. 처음에는 A만 있어 정반응이 빠르고, B가 쌓일수록 역반응이 빨라진다. 두 속도가 같아지면 농도가 더 변하지 않지만, 두 반응은 같은 속도로 계속 일어난다.
먼저 알아야 할 것화학 반응식(화학 반응식과 양적 관계), 반응 속도의 뜻, 증발과 응축(중학교).

3.1.1가역 반응

나무가 타서 재와 이산화 탄소가 되면, 재와 이산화 탄소를 모아도 다시 나무가 되지 않는다. 이렇게 한쪽으로만 일어나는 반응을 비가역 반응이라 한다. 반면 조건에 따라 앞으로도 뒤로도 일어나는 반응이 있다. 푸른 염화 코발트 종이에 물을 떨어뜨리면 붉게 변하고, 말리면 다시 푸르게 돌아온다.

정의 3.1.1 가역 반응

정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는 반응을 가역 반응이라 하며 \(\rightleftarrows\)로 나타낸다. 반응물에서 생성물로 가는 반응을 정반응, 그 반대를 역반응이라 한다.

3.1.2동적 평형

닫힌 병 속에서 물 분자는 끊임없이 수면을 떠나 증발한다. 처음에는 공기 중에 수증기가 거의 없어 응축이 드물다. 그런데 수증기가 쌓일수록 수면으로 되돌아오는 분자도 늘어난다. 마침내 1초에 증발하는 분자 수와 응축하는 분자 수가 같아지면, 물의 양은 더 이상 변하지 않는다.

화학 반응도 마찬가지이다. 그림 1의 슬라이더로 시간을 움직이면 처음에는 정반응 속도가 크고 역반응 속도는 0이다. B가 늘수록 두 속도가 가까워져 결국 같아진다. 이때부터는 농도가 일정하게 유지된다.

정의 3.1.2 동적 평형

가역 반응에서 정반응 속도와 역반응 속도가 같아져 반응물과 생성물의 농도가 일정하게 유지되는 상태를 화학 평형이라 한다. 겉으로는 변화가 없지만 두 반응은 멈추지 않고 같은 속도로 계속 일어나므로 동적 평형이라 부른다.1

증발 속도 = 응축 속도물의 양은 일정분자의 출입은 계속됨
그림 2. 닫힌 병 속에서 증발과 응축이 같은 속도로 일어나면 물의 양이 변하지 않는다. 이것이 상평형이다.

3.1.3예제 풀이

예제 3.1.3

그림 1의 반응 \(\text{A} \rightleftarrows \text{B}\)에서 정반응 속도는 \(2[\text{A}]\), 역반응 속도는 \(1 \times [\text{B}]\)이다. 처음 A 1.0 M만 넣었을 때 평형에서 A와 B의 농도를 구하여라.

평형에서 A가 \(x\)만큼 줄었다면 \([\text{A}] = 1 - x\), \([\text{B}] = x\)이다. 평형에서는 두 속도가 같으므로 \(2(1 - x) = x\), 곧 \(x = \tfrac{2}{3}\)이다.

따라서 \([\text{A}] \approx 0.33\) M, \([\text{B}] \approx 0.67\) M이다. 이때도 1초마다 A에서 B로 \(2 \times 0.33 \approx 0.67\) M씩, B에서 A로 \(1 \times 0.67\) M씩 바뀌고 있다. 같은 양이 오가므로 겉으로는 아무 변화가 없다. 반응물과 생성물이 같은 양이 되는 것이 평형이 아니라, 속도가 같아지는 것이 평형이다.

동위 원소를 넣어 보면 이 출입을 실제로 확인할 수 있다. 평형에 이른 용액에 방사성 원자를 지닌 물질을 조금 넣으면, 농도는 그대로인데 방사성 원자가 반응물과 생성물 양쪽으로 퍼진다. 아래 탐구 카드에서 동적 평형과 상평형, 색이 되돌아오는 반응을 직접 살펴보자.

  1. 평형은 물질이 드나들지 않는 닫힌 계에서만 이루어진다. 뚜껑을 연 병에서는 수증기가 계속 빠져나가 물이 결국 모두 증발한다.
마무리

가역 반응에서는 생성물이 쌓일수록 역반응이 빨라져, 결국 정반응과 역반응의 속도가 같아지는 동적 평형에 이른다. 평형에서 농도는 일정하지만 두 반응은 멈추지 않는다. 그래서 처음 질문의 병 속에서는 증발이 멈춘 것이 아니라, 증발하는 분자와 응축하는 분자의 수가 같아져 물의 양이 일정하게 보이는 것이다.

탐구 1

반응이 멈춘 것처럼 보일 때, 입자들은 무엇을 할까?

가역 반응 · 입자 시뮬레이션 (모식)
처음 상태
A 입자
—
B 입자
—
A→B (회/초)
—
B→A (회/초)
—

모식 모형이다. 입자마다 1초에 k₁(또는 k₂)의 확률로 바뀌며, 실제 반응이 아니라 가역 반응의 규칙만 흉내 낸 것이다.

  1. 질문시험관 속 반응이 어느 순간부터 색도 농도도 더 변하지 않는다. 반응이 끝난 걸까, 아니면 무언가가 계속 일어나는데 우리 눈에 보이지 않는 걸까?
  2. 복원반응물이 생성물이 되는 방향을 정반응, 거꾸로 가는 방향을 역반응이라고 한다. 그리고 두 방향이 모두 일어날 수 있는 반응이 가역 반응(A ⇌ B)이다.
  3. 설명처음에 A만 있으면 A→B만 자주 일어난다. 그런데 B가 늘수록 B→A도 잦아져서, 결국 1초에 A→B로 바뀌는 수와 B→A로 바뀌는 수가 같아지고, 그때부터 A와 B의 수는 일정하다. 이 상태가 동적 평형이다.
  4. 연결그래서 평형에서는 k₁NA = k₂NB가 성립하고(N은 입자 수), NB / NA = k₁ / k₂로 정해진다. 다음 절의 평형 상수가 바로 이 비이다.
  5. 적용‘모두 A’와 ‘모두 B’로 번갈아 시작해 출발점이 달라도 같은 비율에 도착하는지 보자. ‘입자 하나 따라가기’를 켜면, 평형에서도 표시한 입자가 계속 A와 B를 오가는 것이 보인다.
  6. 판단“평형 = 반응이 멈춘 상태”, “평형 = 반응물과 생성물의 양이 같은 상태”는 둘 다 흔한 오해이다. 멈춘 것은 양의 변화이고, 같아진 것은 양이 아니라 두 방향의 속도이다. 그래서 k₁ ≠ k₂이면 평형에서도 A와 B의 수는 다르다.

확인조건이 달라지면

k₁ = 0.2/s, k₂ = 0.6/s로 두고 ‘모두 B’에서 시작했다. 충분한 시간이 지난 뒤의 모습으로 옳은 것은?

탐구 2

뚜껑 닫은 병 속의 물은 왜 줄지 않을까?

증발과 응축 · 상평형
병 속 수증기 압력
—
이 온도의 포화 증기압
—
증발 (회/초)
—
응축 (회/초)
—

포화 증기압은 실제 물의 값(앙투안 식)이다. 점의 수와 반응 횟수, 수위 변화는 모식이며 병 속 압력은 점의 수에 비례해 환산했다.

  1. 질문컵에 담아 둔 물은 며칠이면 줄어드는데, 뚜껑을 꼭 닫은 생수병의 물은 몇 달이 지나도 그대로이다. 병 안에서는 증발이 멈춘 걸까?
  2. 복원액체 표면의 분자 가운데 에너지가 큰 것은 기체가 되어 날아가고(증발), 기체 분자가 다시 표면에 부딪혀 붙잡히면 액체가 된다(응축). 즉 H₂O(l) ⇌ H₂O(g)이다.
  3. 설명증발의 빠르기는 온도가 정하고, 응축의 빠르기는 공기 중 수증기가 많을수록 커진다. 그래서 닫힌 병에서는 수증기가 쌓이다가 응축 속도가 증발 속도와 같아지는 순간이 오고, 그 뒤로는 물의 양이 변하지 않는다.
  4. 연결이때의 수증기 압력이 포화 증기압이다. 25 °C에서 약 3.2 kPa로, 대기압의 3%쯤이다. 또 온도가 오르면 증발이 빨라지므로 포화 증기압도 커진다.
  5. 적용평형에 도달한 뒤 ‘뚜껑 열기’를 눌러 응축 곡선이 증발 곡선까지 올라가지 못하는 까닭을 생각해 보자. 다시 닫고 온도를 40 °C로 올리면 두 곡선이 어느 높이에서 다시 만나는지도 보자.
  6. 판단동적 평형은 닫힌 계에서만 이루어진다. 열린 컵에서는 날아간 수증기가 돌아오지 않으니 평형에 이르지 못한다. 또 “병 속 수증기 압력은 물의 양에 따라 다르다”도 틀린 말이다. 물이 조금이라도 남아 있으면 온도만으로 정해진다.

확인조건이 달라지면

25 °C에서 평형에 도달한 닫힌 병을 40 °C의 물에 담가 두었다. 새 평형에 대한 설명으로 옳은 것은?

탐구 3

색이 바뀌었다가 되돌아오는 반응은 무엇을 알려 줄까?

실험 · 가역 반응 · 수화와 탈수 · 열변색
지금 상태
—
색이 바뀐 횟수
0
반응 방향
—
  1. 탐구 문제제습제 봉지 속 파란 알갱이는 습기를 먹으면 분홍색이 되고, 말리면 다시 파래진다. 온도에 따라 그림이 나타났다 사라지는 컵도 있다. 같은 물질이 몇 번이고 색을 오가는 것은 어떤 반응일까?
  2. 복원화학 반응에는 한 방향으로만 일어나는 반응과, 조건에 따라 정반응과 역반응이 모두 일어나는 가역 반응이 있다. 그리고 반응물과 생성물의 색이 다르면 반응 방향을 눈으로 볼 수 있다.
  3. 설계그래서 조작 변인은 온도와 수분(습도, 물 한 방울)으로, 종속 변인은 색으로 둔다. 같은 시료로 여러 번 조건을 바꿔 색이 되돌아오는지 확인한다.
  4. 분석CoCl₂(파랑) + 6H₂O ⇌ CoCl₂·6H₂O(분홍)는 물이 많고 온도가 낮으면 정반응이, 가열하면 역반응이 우세하다. 황산 구리도 CuSO₄(흰색) + 5H₂O ⇌ CuSO₄·5H₂O(파랑)로, 물을 떨어뜨리면 파래지며 열이 난다. 또 시온 안료는 염료와 현색제가 낮은 온도에서 결합해 색을 내고, 높은 온도에서 떨어져 무색이 된다.
  5. 측정세 실험에서 조건을 바꿔 색이 몇 번이든 되돌아오는지 확인해 보자. 염화 코발트 종이로 교실 습도를 어림할 수 있는지, 시온 안료 컵은 몇 °C쯤에서 색이 바뀌는지도 보자.
  6. 오차·안전색이 되돌아온다고 해서 반응이 멈춘 것은 아니다. 색이 일정할 때도 정반응과 역반응이 같은 속도로 계속되는 동적 평형 상태이다. 또 염화 코발트는 발암 가능 물질이라 맨손으로 만지지 않고, 황산 구리를 가열할 때는 시험관 입구를 사람이 없는 쪽으로 둔다.

확인가역 반응

흰색 황산 구리 가루에 물 몇 방울을 떨어뜨리면 파래지면서 시험관이 따뜻해진다. 이 파란 결정을 다시 가열하면?

탐구 4

얼린 딸기는 어떻게 물을 녹이지 않고 바로 날려 보낼까?

상평형 그림 · 삼중점 · 승화와 동결 건조
경로
온도
—
압력
—
상태
—

압력 축은 로그 눈금이다. 물의 삼중점은 0.01 °C, 611 Pa이고 1기압은 101.3 kPa이다. 증기압 곡선은 클라우지우스-클라페이롱 식으로 어림했고, 융해 곡선은 실제로 아주 가파르게 왼쪽으로 기울어 있다(압력이 높으면 녹는점이 조금 낮아짐).

  1. 질문라면 수프 속 마른 채소와 우주 식량은 동결 건조로 만든다. 그냥 데워 말리면 맛과 모양이 망가지는데, 얼린 채 물만 빼낼 수 있는 까닭은 무엇일까?
  2. 복원물질의 상태는 온도뿐 아니라 압력에 따라서도 달라진다. 끓는점은 바깥 압력과 증기압이 같아지는 온도라서, 높은 산에서는 물이 100 °C보다 낮은 온도에서 끓는다.
  3. 설명상평형 그림은 압력과 온도에 따라 어떤 상태가 안정한지 나타낸 지도이다. 곡선 위에서는 두 상태가 평형을 이루고, 세 곡선이 만나는 삼중점에서는 고체, 액체, 기체가 함께 평형을 이룬다. 그래서 삼중점보다 낮은 압력에서는 액체가 존재할 수 없어 얼음이 곧바로 수증기가 된다(승화).
  4. 연결동결 건조는 음식을 얼리고, 압력을 삼중점(611 Pa)보다 낮춘 뒤, 살짝 데워 얼음을 승화시키는 방법이다. 물이 액체로 녹아 흐르지 않으니 세포 구조가 덜 망가지고, 낮은 온도라 맛과 영양 성분도 잘 남는다.
  5. 적용네 경로를 차례로 따라가며 어느 곡선을 언제 지나는지 보자. 에베레스트 정상에서 물이 몇 °C에서 끓는지 읽고, 압력솥에서 음식이 빨리 익는 까닭도 생각해 보자.
  6. 판단"물은 언제나 100 °C에서 끓고 0 °C에서 언다"는 1기압일 때만 맞는다. 또 동결 건조 식품은 물을 빼서 오래 보관되지만 공기 중 습기를 빨리 흡수하므로, 열어 둔 뒤에는 금방 눅눅해진다.

확인상평형 그림 읽기

압력 300 Pa에서 −20 °C의 얼음을 천천히 가열하면?

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