반응 지수와 반응의 방향

평형 상수는 평형에 도착했을 때의 값이다. 그런데 용기에 수소, 아이오딘, 아이오딘화 수소를 아무렇게나 섞어 넣으면, 혼합물은 아이오딘화 수소를 더 만드는 쪽으로 갈까, 분해하는 쪽으로 갈까? 반응을 시켜 보기 전에 미리 알 수 있을까?

현재 \([\text{HI}]\) (M)

현재 \([\text{H}_2] = [\text{I}_2]\) (M)

3.3.1반응 지수

평형 상수 식에 평형 농도 대신 지금 이 순간의 농도를 넣어 계산한 값을 반응 지수 \(Q\)라 한다. 식의 모양은 \(K\)와 똑같고, 넣는 농도만 다르다. 평형에 이르면 \(Q\)는 \(K\)와 같아진다.

3.3.2Q와 K의 비교

\(Q < K\)이면 생성물이 평형보다 적다는 뜻이다. 그러므로 정반응이 우세하게 일어나 생성물이 늘고 반응물이 줄면서 \(Q\)가 커져 \(K\)에 다가간다. 반대로 \(Q > K\)이면 생성물이 지나치게 많으므로 역반응이 우세하여 \(Q\)가 작아진다. \(Q = K\)이면 이미 평형이다.¹

\(K\)와 \(Q\)는 수백 배씩 차이 나는 일이 흔하므로 로그 눈금에 놓고 보면 편하다. 그림 1의 슬라이더로 현재 농도를 바꾸면 \(Q\)의 점이 눈금 위를 움직이고, 화살표가 \(K\) 쪽을 가리킨다.

3.3.3예제 풀이

\(Q = \dfrac{0.5^2}{0.5 \times 0.5} = 1\)이다. \(Q = 1 < K = 49\)이므로 정반응 쪽으로 진행하여 아이오딘화 수소가 더 생긴다.

\([\text{HI}] = 5.0\) M이면 \(Q = \dfrac{5.0^2}{0.25} = 100\)이다. \(Q > K\)이므로 역반응 쪽으로 진행하여 아이오딘화 수소가 분해되고 수소와 아이오딘이 늘어난다. 계산 한 번으로 실험을 하기 전에 방향을 알 수 있다.

이 생각은 다음 절의 평형 이동을 이해하는 열쇠가 된다. 평형에 있던 혼합물에 무언가를 더 넣으면 \(Q\)가 바뀌어 \(K\)와 달라지고, 반응은 다시 \(Q = K\)가 되는 쪽으로 움직인다. 아래 탐구 카드에서 \(Q\)와 \(K\)를 비교하며 반응의 방향을 직접 예측해 보자.

1. \(Q\)와 \(K\)의 비교는 방향만 알려 줄 뿐 빠르기는 알려 주지 않는다. \(Q\)가 \(K\)보다 아주 작아도 반응 속도가 느리면 평형에 이르는 데 오랜 시간이 걸릴 수 있다.