화학 반응과 열

 1-1. 엔탈피 
 (1) 엔탈피(Enthalpy) = H
  (1) 물질 속에 축적된 열에너지(물질마다 고유한 양)
      H₂O(s) + 6.05kJ → H₂O(l)
      H₂O(l) + 44.1kJ → H₂O(g)
      H₂(g) + 1/2O₂(g)→ H₂O(g) + 241.8kJ/mol
      H₂(g) + 1/2O₂(g) → H₂O(l) + 285.5kJ/mol
   ∴ H₂O(g)와 H₂O(l), H₂O(s)는 같은 물질이라도 상태에 따라 축적된 엔탈피는 서로 다름.

  (2) 엔탈피의 변화량 ☞ △H     △H = 생성물의 엔탈피(H₂) - 반응물의 엔탈피(H₁)
          
    Q = 반응물의 엔탈피,(H₁) - 생성물의 엔탈피(H₂)
        
  ※ 반응열(Q)와 △H의 관계 ▶ 절대값이 같고 부호반대 임
 (3) 발열반응과 흡열반응    ① 발열반응 ; 화학 반응 시 열에너지를 방출함     * Q = (+) kJ / mol (H₁ - H₂)
     △H = (-) kJ / mol (H₂ - H₁)
    * 반응의 엔탈피가 생성물의 엔탈피 보다 높다.    ( H₁ > H₂ )
      * 엔탈피 高  ☞ 엔탈피 低 로 반응 진행
         ( 방출 에너지 양 = 두 물질의 엔탈피의 차)      

   ※ 반응열 Q로 표시 : 1/2 H₂ + 1/2 Cl₂ → HCl + 92.4kJ
       엔탈피 변화량 △H : 1/2 H₂ + 1/2 Cl₂ → HCl, △H= -92,4kJ

  ②흡열반응 ; 반응 시 열 에너지 흡수
    * Q = (-) kJ / mol (H₁ - H₂)
     △H = (+) kJ /mol (H₂ - H₁)
   * 생성물의 엔탈피가 반응물의 엔탈피보다 높다. (H₁ < H₂)
   * 엔탈피 低 ☞ 엔탈피 高 (두 물질의 엔탈피 차만큼 흡수) 

  * C(s) + H₂O → CO + H₂ - 131.9 kJ
    C(s) + H₂O→ CO + H₂, △H= 131.9 kJ 

  1-2. 열 화학 반응식  (1) 물질의 변화, 물질의 상태, 에너지의 출입을 함께 표시 한식.
    ※ 기체(gas=g), 액체(liquid=l), 고체(solid=s)

 (2) 열 화학 반응식 : 에너지에 대한 등식    ① 반응열(Q)로 표시 :
    CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) +2H₂O(l) + 890.4kJ
    CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g) - 178.3kJ

  ② 엔탈피(△H)로 표시 :
   CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) +2H₂O(l) △H = - 890.4kJ
   CaCO₃(s) → CaO(s) + CO₂(g) △H = 178.3kJ

 (3) 열화학 반응식에서 △H의 양은 물질의 양에 비례한다.
   C(s) + O₂(g) → CO₂(g) △H = -393.5kJ (C 1mol 연소열)
  2C(s) + 2O₂(g) → 2CO₂(g) △H = -787.0kJ (C 2mol 연소열)

  (4) 같은 물질이라도 상태에 따라 엔탈피의 값이 다르므로 반드시 상태 표시함

   H₂(g) + 1/2O₂(g) → H₂O(g) + 241.8kJ/mol
   H₂(g) + 1/2O₂(g) → H₂O(l) + 285.5kJ/mol

 (예) 포도당(C₆H₁₂O₆) 45g이 완전 연소하면 이산화탄소와 물이 생성되면서 705kJ의 열이
       발생한다. 이 반응을 열 화학 반응식으로 나타내어라

  <해> C₆H₁₂O₆ 45g = 45g/180= 0.25mol ∴ 1mol 연소열 = 705×4= 2820kJ
          C₆H₁₂O₆(s) + 6O₂(g) → 6CO₂(g) + 6H₂O(l) △H = 2820kJ/mol

 <문> 23g의 사산화이질소(N₂O₄)가 분해되어 이산화질소(NO₂)로 될 때 14.3kJ의 열 을 흡수한다.       이 반응의 열화학 반응식은? (N₂O₄=23g/92=1/4mol)
      N₂O₄ → 2NO₂ △H = 14.3kJ ×4 = 57.2kJ/mol 

 1-3. 반응열의 종류   ① 화학반응에 수반되는 열 에너지.
  ② 목적물 1mol을 기준하여 출입한 에너지 ▶ Q 및 △H로 표시 

  (1) 연소열 : 물질 1mol이 완전 연소시 방출하는 열량.
   ① 거의 발열 반응(Q =(+), △H = (-))
   ② kJ/mol로 표시
 (예) C₃H₈(g) + O₂(g) → 3CO₂(g) + 4H₂O(l) △H = -2220.0kJ/mol
       ∴ C₃H₈의 연소열 = 2220.0kJ/mol

  (2) 생성열 : 단체(홑 원소 물질)로부터 화합물 1mol이 생성 시 방출 혹은 흡수하는 열량  
    (예) C(s.흑연) + O₂(g) → CO₂(g) △H = -393.5kJ
          ∴ CO₂의 생성열 = 393.5kJ/mol
    (예) 2H₂ + O₂ → 2H₂O(l) + 574kJ/mol
         ∴ H₂O(l)의 생성열 = 574 kJ/ 2 = 287kJ/mol
   (예) 2H₂ + O₂ → 2H₂O(g) + 486kJ
         2H₂ + O₂ → 2H₂O(g), △H = - 486kJ
     ∴ H₂O(g)의 생성열 = 243kJ / mol

  (3) 분해열 : 화합물 1mol이 성분의 단체로 분해 시 반응열
    (예) 2H₂O(l) → 2H₂(g) + O₂(g), △H = 486kJ
        ∴ H₂O의 분해열 = -243kJ / mol       

  (4) 용해열 : 물질 1mol이 다량의 용매에 용해될 때 방출 혹은 흡수하는 열량.
     (예) H₂SO₄(l) + (aq) → H₂SO₄(aq) + 79.8kJ
      ∴ H₂SO₄의 융해열 = 79.8 kJ/mol
                <용해열>                                              <연소열>                            <중화열>

 (5) 중화열 : 산과 염기가 중화하여 물 1mol이 생성될 때 방출하는 열량.
    (예) HCl + NaOH → NaCl + H₂O △H= -57.7kJ
        ∴ 중화열 = 57.7kJ /mol
    ※중화열은 산 염기의 종류에 관계없이 57.7kJ로 항상 일정 

 1-4. 반응열의 측정

 (1) 열량계의 사용 : 화학 반응 시 출입하는 열량을 직접 측정하기는 매우 어렵다.
   ① 간접적인 방법으로 열량계를 사용
   ② 열량계의 온도 변화는 열량의 변화를 나타내므로 화학 반응에서 출입하는 열량을 열량계의        온도 변화를 이용하여 측정한다.
   ③ 열량계 내부의 열의 출입을 전량 물이 흡수한다고 가정.
   ④ 물이 얻은 열량(Q) = 물질의 비열(c) × 물질의 질량(m) × 물질의 온도 변화(t)
      Q = cmt (비열 : 물질 1g 을 1℃ 올리는 데 필요한 열량(J/g·℃))

 (2) 열량계의 종류
 (가) 간이 열량계
   ① 연소 시 발생하는 열량은 전량 물이 흡수한다는 가정 외부로 손실되는 열량은 고려치 않음
   ② 측정치가 이론치 보다 작으며 원인은 외부로 손실된 열량 및 용기의 열용량을 계산에 넣지
       않기 때문.
   ③ 연소 열 측정 등에 적합함.

 (나) 스티로폼 컵 열량계.
  ① 화학 반응에서 발생된 열량은 전량 물이 흡수한다고 가정
  ② 물이 흡수한 열량 = 물의 비열(c) × 물의 질량(m) × 물의 온도 변화(t)
  ③ 액체 반응의 반응열을 측정하는데 적합. (중화반응 등)

          

 (다) 봄 열량계
 ① 가운데 강철로 된 봄베가 있고, 발생된 열이 바깥으로 빠져나가지 못하게 단열용기가 있음.
 ② 기체 발생 반응, 정밀한 연소 반응열 측정 시 사용.
 ③ 반응열(Q) = Q(bom) + Q(H₂O)
  Q(bom) = 용기가 흡수한 열량 = 봄의 열 용량 × 온도 변화
  Q(H₂O) = 물이 흡수한 열량 = 물의 비열(c) × 물의 질량(m) ×온도 변화(t)
 ④ 열 용량 : 어떤 물체의 온도를 1℃ 상승시키는데 필요한 열량.

 

 <문> 스티로폼 컵 열량계에 25℃의 물 100g에 NaOH 2g을 녹였더니 온도가 온도가 30℃로 올라      갔다면 NaOH의 용해열은? (NaOH 수용액의 비열은 4,2J/g.℃이다)
     Q = 4,2J/g.℃ ×100g ×5℃ = 2100J (NaOH 1mol =40g)
   ∴ NaOH의 용해열 = 2.1kJ × 20 = 42kJ/mol

 1-5. 헤스(Hess)의 법칙 = 총 열량불변의 법칙

 (1) 총열량 불변의 법칙(1840. G. H. Hess)
 ① 화학 반응 시 수반되는 에너지의 변화량은 반응전후의 물질의 종류 및 상태만   같으면 도중의      경로에 관계없이 항상 일정함.

     

 (2) Hess의 법칙 응용
  실험적으로 직접 측정키 어려운 반응열을 Hess의 법칙을 이용 ▶ 간접적으로 측정