물질 변화와 에너지 출입

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흔들면 따뜻해지는 손난로와 두드리면 차가워지는 냉찜질 팩은 둘 다 전기도 불도 쓰지 않는다. 손난로 속에서는 무엇이 열을 내놓고, 냉찜질 팩은 열을 어디서 빼앗아 갈까? 그 열의 양은 어떻게 잴까?

반응 고르기

그림 1. 생성물의 에너지가 반응물보다 낮으면 그 차이만큼 열이 주위로 나가고(발열), 높으면 주위에서 열을 흡수한다(흡열).

먼저 알아야 할 것산화와 환원(산화와 환원), 중화 반응(산과 염기, 중화 반응), 중학교의 열량 = 질량 × 비열 × 온도 변화.

1.5.1발열 반응과 흡열 반응

손난로 속에는 철 가루, 소금, 활성탄, 물이 들어 있다. 포장을 뜯어 공기와 닿게 하면 철이 산소와 반응해 산화 철이 되면서 열을 낸다. 녹스는 것과 같은 반응을 아주 빠르게 일으키는 것이다. 이렇게 반응하면서 주위로 열을 내놓는 반응을 발열 반응이라 한다. 연료의 연소, 중화 반응, 세포 호흡도 발열 반응이다.

냉찜질 팩에는 질산 암모늄 같은 물질과 물이 따로 들어 있다. 팩을 두드려 둘이 섞이면 질산 암모늄이 물에 녹으면서 주위의 열을 흡수해 팩이 차가워진다. 이렇게 주위에서 열을 흡수하는 반응을 흡열 반응이라 한다. 광합성, 열분해, 그리고 탄산수소 나트륨(베이킹 소다)과 식초의 반응도 흡열 반응이다.

정리 1.5.1 화학 반응과 에너지 출입

반응물이 가진 에너지가 생성물보다 크면 그 차이만큼 열이 주위로 나가 주위의 온도가 올라간다(발열 반응). 반응물의 에너지가 생성물보다 작으면 그 차이만큼 주위에서 열을 흡수해 주위의 온도가 내려간다(흡열 반응).

그림 1에서 반응을 바꾸어 보자. 발열 반응에서는 생성물이 반응물보다 낮은 곳에 있고, 흡열 반응에서는 높은 곳에 있다. 에너지는 사라지지도 생기지도 않으므로, 물질이 가진 에너지가 줄어든 만큼 주위가 받고, 늘어난 만큼 주위가 내준다.¹

1.5.2열의 양 재기

반응에서 나오거나 흡수된 열은 주위의 물의 온도 변화로 잴 수 있다. 물 1 g의 온도를 1 °C 올리는 데 약 4.2 J이 필요하므로, 물 \(m\) g의 온도가 \(\Delta t\)만큼 변하면 열량은 \(Q = 4.2 \times m \times \Delta t\) J이다. 단열 용기에서 반응시키면 주위로 새어 나가는 열을 줄여 이 값을 비교적 정확하게 얻을 수 있다.

그림 2. 단열 용기 속 물의 온도 변화로 반응에서 드나든 열량을 구한다(간이 열량계).

1.5.3예제 풀이

예제 1.5.2

단열 용기에 물 100 g을 넣고 질산 암모늄을 녹였더니 물의 온도가 22 °C에서 14 °C로 내려갔다. 이 과정은 발열인가 흡열인가? 흡수하거나 방출한 열은 몇 J인가? 같은 장치에서 염산과 수산화 나트륨 수용액 100 g을 섞어 온도가 6.5 °C 올랐다면 열은 얼마인가?

온도가 내려갔으므로 녹는 과정이 주위의 물에서 열을 흡수한 것이다. 따라서 흡열이다. 흡수한 열은 \(Q = 4.2 \times 100 \times (22 - 14) = 3360\) J, 곧 약 3.4 kJ이다.

중화 반응에서는 온도가 올랐으므로 발열이다. 방출한 열은 \(Q = 4.2 \times 100 \times 6.5 = 2730\) J, 곧 약 2.7 kJ이다.

실제 용기도 열을 조금 흡수하고, 용액의 비열도 물과 정확히 같지는 않으므로 이 값은 어림값이다. 그래도 온도가 오르는지 내리는지를 보면 발열과 흡열을 바로 판단할 수 있고, 물의 양과 온도 변화로 열의 크기를 비교할 수 있다. 아래 탐구 카드에서 손난로와 냉찜질 팩의 재료를 바꾸며 온도가 어떻게 변하는지 직접 확인해 보자.

물이 얼거나 수증기가 물로 응결할 때 열을 내놓고, 얼음이 녹거나 물이 증발할 때 열을 흡수하는 것도 같은 원리이다. 땀이 증발하면서 몸의 열을 가져가 체온을 낮춘다.

마무리

물질이 변할 때 반응물과 생성물의 에너지 차이만큼 열이 주위로 나가거나 주위에서 들어오며, 이것이 발열 반응과 흡열 반응이다. 주위 물의 온도 변화로 그 열량을 잴 수 있다. 그래서 처음 질문의 손난로는 철이 산화되며 내놓는 열로 따뜻해지고, 냉찜질 팩은 녹는 과정이 주위의 열을 흡수해 차가워진다.

탐구 1

손난로는 어떻게 뜨거워질까?

발열 반응 · 두 종류 손난로 비교

철가루 = 30 g

공기가 통하는 정도 = 100%

소금물 넣음

아세트산 나트륨 용액 = 100 g

철가루 · 최고 온도: —
철가루 · 40 °C 이상: —
아세트산 나트륨 · 최고: —
아세트산 나트륨 · 40 °C 이상: —

철의 산화열(1 g당 7.38 kJ)과 아세트산 나트륨의 결정화 열(1 g당 약 270 J)은 실제 값이다. 산소가 들어오는 빠르기와 열이 빠져나가는 정도는 모식 값이다.

질문일회용 손난로는 포장을 뜯고 흔들면 따뜻해지고, 똑딱이 손난로는 안에 든 금속판을 꺾으면 따뜻해진다. 둘은 같은 방식으로 열을 낼까?
복원물질은 원자 사이의 결합과 입자 배열 속에 에너지를 품고 있다. 그래서 물질이 변할 때 그 에너지가 달라지고, 차이만큼 열이 나오거나 들어간다. 열을 내놓는 변화를 발열, 열을 흡수하는 변화를 흡열이라고 한다.
설명일회용 손난로 속 철가루는 공기 중 산소와 천천히 반응해 산화 철이 된다(4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃). 녹이 스는 것과 같은 반응을 소금물로 빠르게 만든 것이다. 반면 똑딱이 손난로는 녹는점보다 낮은 온도에서도 액체로 남아 있던(과포화) 아세트산 나트륨 용액이 한꺼번에 결정으로 굳으면서 열을 낸다.
연결나오는 열의 양은 변한 물질의 양에 비례하므로, 철가루 30 g이 모두 산화되면 약 220 kJ, 아세트산 나트륨 100 g이 모두 굳으면 약 27 kJ이다. 또 철가루는 공기가 들어오는 만큼만 조금씩 반응하므로 오래 따뜻하고, 결정화는 순식간에 번지므로 금방 뜨거워졌다가 빨리 식는다.
적용‘지퍼백에 다시 넣음’을 누르면 산소가 끊겨 온도가 내려간다. 소금물을 빼면 반응이 느려지는 것도 확인하고, 아세트산 나트륨 용액의 양을 두 배로 늘리면 따뜻한 시간이 어떻게 달라지는지도 보자.
판단“손난로는 열을 만들어 낸다”는 말은 정확하지 않다. 물질 속에 있던 에너지가 열로 바뀌어 나올 뿐이고, 반응이 끝나면 더는 나오지 않는다. 또 모든 발열이 화학 반응은 아니다. 아세트산 나트륨이 굳는 것은 물질 자체가 바뀌지 않는 상태 변화이고, 그래서 끓는 물에 데워 녹이면 다시 쓸 수 있다.

확인조건이 달라지면

쓰던 철가루 손난로를 지퍼백에 넣어 공기를 뺐다가 다음 날 다시 꺼냈다. 어떻게 될까?

탐구 2

냉찜질 팩은 어떻게 차가워질까?

흡열 · 용해 엔탈피

녹이는 양 = 20 g (물 100 g)

녹인 물질: —
출입한 열: —
녹인 뒤 온도: —

용해 엔탈피는 25 °C의 실제 값이다. 용액의 비열을 물과 같게 두고 주변과 열을 주고받지 않는다고 가정한 모식 계산이라, 실제로는 조금 덜 변한다.

질문냉찜질 팩은 속에 든 물주머니를 터뜨리고 흔들면 차가워진다. 얼음도 냉매도 없는데 어떻게 차가워질까?
복원고체가 물에 녹으려면 입자 사이의 결합을 끊어야 하고(에너지가 듦), 떨어진 입자가 물 분자에 둘러싸일 때 에너지가 나온다. 그래서 두 값의 차이가 녹을 때 드나드는 열이고, 1몰이 녹을 때의 이 값을 용해 엔탈피라고 한다.
설명질산 암모늄은 결합을 끊는 데 드는 에너지가 더 커서, 녹을 때 주변의 물에서 열을 빼앗아 간다. 그래서 물이 차가워진다. 반대로 수산화 나트륨이나 염화 칼슘은 녹을 때 열을 내놓는다.
연결드나든 열은 녹인 몰수와 용해 엔탈피의 곱이고, 이 열이 용액의 온도를 ΔT = −Q / (m·c)만큼 바꾼다. 그래서 녹이는 양을 두 배로 하면 드나드는 열도 두 배가 된다.
적용물질 버튼을 바꿔 보며 냉찜질 팩에 쓸 만한 물질과 온찜질 팩에 쓸 만한 물질을 골라 보자. 소금(염화 나트륨)은 녹을 때 온도가 거의 변하지 않아 둘 다에 쓰기 어렵다.
판단“흡열 과정은 저절로 일어날 수 없다”는 생각은 오개념이다. 질산 암모늄은 열을 흡수하는데도 저절로 녹는다. 변화가 일어날지는 에너지만으로 정해지지 않고, 입자가 흩어져 더 무질서해지는 쪽으로 가려는 경향도 함께 작용하기 때문이다.

확인조건이 달라지면

25 °C 물 100 g에 수산화 나트륨 10 g을 녹이면 온도는 대략 어떻게 될까?