나뭇잎 교과서

헤스 법칙

탄소를 태우면 일산화 탄소와 이산화 탄소가 함께 생겨서, 탄소가 일산화 탄소가 되는 반응의 열만 따로 재기는 어렵습니다. 그런데 반응의 열은 거쳐 가는 길과 관계없이 처음과 끝만으로 정해집니다. 이 성질로 잴 수 없는 반응의 열을 계산합니다.

먼저 알면 좋은 것 열화학 반응식엔탈피 변화 ΔH
본문

헤스 법칙

본문

탄소를 태우면 이산화 탄소가 생기는데, 산소가 모자라면 일산화 탄소도 섞여 나온다. 그래서 탄소가 일산화 탄소로만 바뀌는 반응의 열은 실험으로 깨끗하게 잴 수 없다. 그런데 화학자들은 그 값이 −110.5 kJ이라는 것을 정확히 안다. 잴 수 없는 열을 어떻게 알아냈을까?

그림 1. 탄소가 이산화 탄소가 되는 두 경로. 직접 태우든 일산화 탄소를 거치든 처음과 끝이 같으므로 전체 엔탈피 변화는 −393.5 kJ로 같다.
먼저 알아야 할 것열화학 반응식과 엔탈피 변화(엔탈피와 열화학 반응식), 연립 방정식(수학).

3.2.1헤스 법칙

산을 오를 때 어느 길로 가든 출발점과 정상의 높이 차는 같다. 엔탈피도 산의 높이와 마찬가지로 물질의 상태만으로 정해지는 양이다. 그래서 반응물에서 생성물로 가는 엔탈피 변화는 중간에 어떤 단계를 거치든 같다.

정리 3.2.1 헤스 법칙 (총열량 보존 법칙)

반응의 엔탈피 변화는 반응 경로와 관계없이 반응물과 생성물의 상태만으로 정해진다. 따라서 여러 단계로 나누어 일어나는 반응의 \(\Delta H\)는 각 단계의 \(\Delta H\)의 합과 같다.

이 법칙 덕분에 열화학 반응식을 방정식처럼 더하고 뺄 수 있다. 원하는 반응식이 나오도록 아는 반응식들을 몇 배 하거나 뒤집어 더하고, \(\Delta H\)도 똑같이 계산하면 된다.

3.2.2반응식을 더하고 빼기

그림 1에서 경로를 바꾸어 보자. 탄소가 이산화 탄소로 완전히 타는 반응(−393.5 kJ)과 일산화 탄소가 이산화 탄소로 타는 반응(−283.0 kJ)은 둘 다 잴 수 있다. 일산화 탄소를 거치는 경로의 첫 단계가 바로 우리가 구하려는 반응이다. 따라서 첫 단계의 \(\Delta H\)는 전체에서 둘째 단계를 뺀 값이다.1

C(s) + O₂(g) → CO₂(g)ΔH₁ = −393.5 kJ CO₂(g) → CO(g) + ½O₂(g)−ΔH₂ = +283.0 kJ C(s) + ½O₂(g) → CO(g)ΔH = −110.5 kJ
그림 2. 둘째 반응식을 뒤집어 더하면 CO₂가 양쪽에서 지워지고 구하려는 반응식이 남는다.

3.2.3예제 풀이

예제 3.2.2

다음 자료로 메테인의 생성 반응 \(\text{C}(s) + 2\text{H}_2(g) \rightarrow \text{CH}_4(g)\)의 \(\Delta H\)를 구하여라.
(1) \(\text{C}(s) + \text{O}_2(g) \rightarrow \text{CO}_2(g)\), \(\Delta H_1 = -393.5\) kJ
(2) \(\text{H}_2(g) + \frac{1}{2}\text{O}_2(g) \rightarrow \text{H}_2\text{O}(l)\), \(\Delta H_2 = -285.8\) kJ
(3) \(\text{CH}_4(g) + 2\text{O}_2(g) \rightarrow \text{CO}_2(g) + 2\text{H}_2\text{O}(l)\), \(\Delta H_3 = -890.3\) kJ

원하는 반응식의 왼쪽에 C와 2H₂가 있고 오른쪽에 CH₄가 있다. 그래서 (1)을 그대로, (2)를 2배, (3)을 뒤집어 더한다. 그러면 CO₂, 2H₂O, 2O₂가 양쪽에서 모두 지워진다.

\(\Delta H = \Delta H_1 + 2\Delta H_2 - \Delta H_3 = -393.5 + 2 \times (-285.8) + 890.3 = -74.8\) kJ이다. 즉 탄소와 수소로 메테인을 직접 만드는 반응은 실험실에서 일으키기 어렵지만, 세 연소열만 재면 그 열을 알 수 있다. 이렇게 구한 생성 엔탈피들을 표로 만들어 두면 어떤 반응의 열이든 계산할 수 있다.

아래 탐구 카드에서 반응식을 뒤집고 몇 배 하여 더하는 방법으로 잴 수 없는 반응의 열을 직접 구해 보자.

  1. 스위스 출신 러시아 화학자 헤스가 1840년에 여러 반응의 열을 재어 발견했다. 에너지 보존 법칙이 정립되기 전이었지만, 오늘날에는 에너지 보존 법칙의 한 결과로 이해한다.
마무리

엔탈피는 상태만으로 정해지는 양이므로, 반응의 엔탈피 변화는 경로와 관계없이 처음과 끝만으로 정해진다. 그래서 열화학 반응식을 방정식처럼 뒤집고 몇 배 하여 더할 수 있다. 그래서 처음 질문의 탄소가 일산화 탄소가 되는 반응열은 탄소와 일산화 탄소의 연소열을 재어 \(-393.5 - (-283.0) = -110.5\) kJ로 계산한다.

탐구 1

잴 수 없는 반응의 열을 어떻게 알아낼까?

헤스 법칙 · 엔탈피 도표

값은 25 °C, 1기압의 대략값이고, 연소 열은 실험으로 잴 수 있는 값이다.

  1. 질문탄소를 산소 속에서 태우면 일산화 탄소와 이산화 탄소가 섞여 나온다. 그래서 탄소가 일산화 탄소만 되는 반응의 열은 직접 재기가 어려운데, 어떻게 알아낼 수 있을까?
  2. 복원ΔH는 반응물과 생성물의 엔탈피 차이이다. 그리고 반응식을 거꾸로 쓰면 부호가, 계수를 바꾸면 크기가 바뀐다.
  3. 설명엔탈피는 산의 높이처럼 처음 상태와 나중 상태만으로 정해지고, 어떤 길로 갔는지와 관계없다. 그래서 반응이 한 번에 일어나든 여러 단계로 일어나든 전체 ΔH는 같으며, 이것이 헤스 법칙이다.
  4. 연결탄소가 이산화 탄소가 되는 길을 한 번에 가는 경우(ΔH₁ = −393.5 kJ)와 일산화 탄소를 거쳐 두 단계로 가는 경우(ΔH₂ + ΔH₃)로 나누면 ΔH₁ = ΔH₂ + ΔH₃이다. 일산화 탄소가 타는 열 ΔH₃ = −283.0 kJ은 잴 수 있으므로, 잴 수 없던 ΔH₂를 뺄셈으로 구한다.
  5. 적용‘모르는 ΔH 계산하기’를 누르기 전에 직접 계산해 보자. 그리고 메테인의 생성 열 예에서는 탄소, 수소, 메테인의 연소 열 세 개를 어떻게 더하고 빼야 하는지, 도표에서 두 경로의 화살표 길이의 합을 비교해 보자.
  6. 판단헤스 법칙은 에너지 보존에서 나온다. 만약 경로에 따라 ΔH가 달랐다면, 한 길로 가서 다른 길로 돌아오는 것만으로 에너지를 공짜로 얻는 영구 기관을 만들 수 있을 것이기 때문이다. 다만 계산할 때 물질의 상태(물이 액체인지 기체인지)를 모든 식에서 맞춰야 한다.

확인조건이 달라지면

A → C의 ΔH = −100 kJ이고, A → B의 ΔH = −30 kJ이다. B → C의 ΔH는?

AI 출제 문항연습문제 풀어보기14문항 수능·모의평가·학력평가기출문제 풀어보기102문항
Esc

↑↓ 고르기Enter 열기