표준 반응 엔탈피

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1. 개요
2. 표준 반응 엔탈피의 정의 및 측정
- 2.1. 정적 조건 (일정 부피)
- 2.2. 정압 조건 (일정 압력)
3. 온도 및 압력에 따른 변화
4. 표준 생성 엔탈피와의 관계
5. 표준 반응 엔탈피의 종류
6. 반응 엔탈피의 계산
참조

1. 개요

표준 반응 엔탈피는 반응에 대해 정의된 표준 조건에서 측정되는 엔탈피 변화이다. 일정 부피 및 온도 조건에서는 내부 에너지 변화를, 일정 압력 및 온도 조건에서는 엔탈피 변화를 나타낸다. 온도 변화에 따른 반응 엔탈피 변화는 키르히호프의 열화학 법칙으로 설명되며, 표준 생성 엔탈피를 이용하여 표준 반응 엔탈피를 계산할 수 있다. 표준 연소 엔탈피, 표준 생성 엔탈피, 표준 수소화 엔탈피, 표준 중화 엔탈피 등 다양한 종류가 있으며, 열량계를 이용한 직접 측정, 평형 상수 및 반트 호프 방정식 활용, 헤스의 법칙 적용, 결합 에너지 추정 등 다양한 방법으로 계산할 수 있다.

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표준 반응 엔탈피
반응 엔탈피
정의	화학 반응이 일정한 압력에서 일어날 때, 반응물과 생성물의 엔탈피 변화
기호	ΔHᵣ
단위	줄/몰 (J/mol)
관련 항목	엔탈피 헤스의 법칙 표준 생성 엔탈피 반응 진행
표준 반응 엔탈피
정의	모든 반응물과 생성물이 표준 상태에 있을 때의 반응 엔탈피
기호	ΔHᵣ° 또는 ΔHᵣ⊖
표준 상태	기체의 경우: 1기압 (101.325 kPa)의 이상 기체 액체 또는 고체의 경우: 순수한 물질 용액의 경우: 1 mol/L의 이상적인 용액
측정 조건	일반적으로 298 K (25 °C)
계산 방법	ΔHᵣ° = Σ(νᵢ * ΔHf°(생성물)) - Σ(νᵢ * ΔHf°(반응물)) (νᵢ: 각 물질의 화학 양론 계수, ΔHf°: 표준 생성 엔탈피)
헤스의 법칙 적용	반응 경로에 무관하게 초기 상태와 최종 상태만으로 결정됨
예시	물의 생성 반응 (H₂(g) + 1/2 O₂(g) → H₂O(l))의 ΔHᵣ° = -286 kJ/mol
참고 사항	발열 반응: ΔHᵣ° < 0 (열 방출) 흡열 반응: ΔHᵣ° > 0 (열 흡수)

2. 표준 반응 엔탈피의 정의 및 측정

표준 반응 엔탈피는 반응에 대해 지정된 표준 조건에 따라 정의된다. 일반적으로 열화학적 측정은 다음 두 가지 조건에서 수행된다.^[3]

(a) 일정 부피 및 온도: 열 $Q_V = \Delta U$ (여기서 $U$ 는 시스템의 내부 에너지)
(b) 일정 압력 및 온도: 열 $Q_P = \Delta H$ (여기서 $H = U + PV$ 는 시스템의 엔탈피)

이 두 조건에서 열 효과의 크기는 다르다. 첫 번째 경우(정적 조건)는 반응 시스템의 내부 에너지(

\Delta U

) 변화와 관련이 있고, 두 번째 경우(정압 조건)는 반응 시스템의 엔탈피 변화(

\Delta H

)와 관련이 있다.^[3]

2. 1. 정적 조건 (일정 부피)

정적 조건에서는 반응이 닫힌 단단한 용기에서 진행되어 부피 변화가 없다. 따라서 수행되는 일이 없다.^[3] 열역학 제1법칙에 따르면,

\Delta U = Q_V

가 된다. (여기서

Q_V

는 정적 조건에서의 반응열,

\Delta U

는 내부 에너지 변화이다.)^[3] 즉, 정적 조건에서의 반응열은 반응 시스템의 내부 에너지 변화와 같다.

화학 반응에서 발생하는 열 변화는 생성물의 내부 에너지 합과 반응물의 내부 에너지 합의 차이 때문이다.

:

\Delta U = \sum U_\text{products} - \sum U_\text{reactants}

이는 일정 부피에서 흡수된 열의 양이 내부 에너지 변화와 동일함을 의미한다.

2. 2. 정압 조건 (일정 압력)

화학 반응에서 발생하는 열 변화는 생성물의 내부 에너지 합과 반응물의 내부 에너지 합의 차이 때문이다.

일정 압력에서 시스템은 대기압에 열려 있거나 일정한 외부 압력이 가해지는 용기 내에 제한되어 있으며, 이러한 조건에서 시스템의 부피가 변경된다. 일정 압력에서의 열 변화는 시스템의 내부 에너지 변화뿐만 아니라 시스템의 팽창 또는 수축에서 수행된 일도 포함한다.^[3]

일반적으로 열역학 제1법칙은 다음을 요구한다.

:

Q = \Delta U + W

(일)

W

가 단지 압력–부피 일인 경우, 일정 압력에서^[3]

:

Q_P = \Delta U + P \Delta V

상태 변수의 변화가 순전히 화학 반응에 기인한다고 가정하면, 다음을 갖는다.

:

Q_P = \sum U_\text{products} - \sum U_\text{reactants} + P \left(\sum V_\text{products} - \sum V_\text{reactants}\right)

:

Q_P =  \sum \left(U_\text{products} + P V_\text{products} \right) - \sum \left(U_\text{reactants} + P V_\text{reactants} \right)

엔탈피 또는 열 함량이

H = U + PV

로 정의되므로 다음을 갖는다.

:

Q_P = \sum H_\text{products} - \sum H_\text{reactants} = \Delta H

위에 나타낸 바와 같이, 일정 압력에서 반응열은 반응 시스템의 엔탈피 변화

\Delta_{\text {rxn}} H

와 정확히 같다.^[3]

3. 온도 및 압력에 따른 변화

표준 반응 엔탈피는 반응이 일어나는 조건이 아닌, 지정된 표준 조건에 따라 달라지도록 정의된다.^[3] 열화학적 측정이 실제로 수행되는 두 가지 일반적인 조건은 다음과 같다.

(a) 일정 부피 및 온도: 열 $Q_V = \Delta U$ , 여기서 $U$ 는 시스템의 내부 에너지
(b) 일정 압력 및 온도: 열 $Q_P = \Delta H$ , 여기서 $H = U + PV$ 는 시스템의 엔탈피

이 두 조건에서 열 효과의 크기는 다르다. 일정 압력에서 반응열은 반응 시스템의 엔탈피 변화

\Delta_{\text {rxn}} H

와 정확히 같다.^[3]

반응 엔탈피의 온도에 따른 변화는 키르히호프의 열화학 법칙에 의해 주어지며, 화학 반응에 대한 ΔH의 온도 미분은 생성물과 반응물의 열용량(일정 압력에서) 차이로 주어진다고 명시한다.

:

\left(\frac{\partial \Delta H}{\partial T}\right)_p = \Delta C_p

.

이 방정식을 적분하면 다른 온도에서의 측정값으로부터 한 온도에서의 반응열을 평가할 수 있다.^[5]^[6]

:

\Delta H^\circ \! \left( T \right) = \Delta H^\circ \! \left( T^\circ \right) + \int_{T^\circ}^{T} \Delta C_P^\circ \, \mathrm{d} T

압력 변화의 영향과 혼합으로 인한 보정은 일반적으로 반응이 비이상 기체 및/또는 용질을 포함하거나 극도로 높은 압력에서 수행되지 않는 한 최소화된다.

4. 표준 생성 엔탈피와의 관계

일반적인 화학 반응

: -''v''_AA + -''v''_BB + ... → ''v''_PP + ''v''_QQ + ...

에서 표준 반응 엔탈피 Δ''H''_r^⦵와 반응물 및 생성물의 표준 생성 엔탈피 Δ''H''_f^⦵의 관계식은 반응물과 생성물의 혼합 엔탈피를 무시, 즉 이상 용액을 가정하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.

: ΔH_r^⦵ = Σ_B''v''_BΔH_f^⦵(B)

위 식에서 ''v''_B는 물질 B의 화학 양론 계수이다.

표준 생성 엔탈피는 많은 물질에 대해 알려져 있으며, 반응물과 생성물의 표준 생성 엔탈피가 알려져 있다면 어떤 조건, 어떤 반응이라도 표준 반응 엔탈피를 계산할 수 있다.

5. 표준 반응 엔탈피의 종류

표준 반응 엔탈피는 다양한 종류의 화학 반응에 적용될 수 있다. 모든 경우에서 "표준"이라는 단어는 모든 반응물과 생성물이 표준 상태에 있음을 의미한다.

표준 연소 엔탈피는 1몰의 유기 화합물이 분자 산소(O₂)와 반응하여 이산화탄소와 액체 물을 형성할 때의 엔탈피 변화이다. 예를 들어, 에테인 기체의 표준 연소 엔탈피는 반응 C₂H₆ (g) + (7/2) O₂ (g) → 2 CO₂ (g) + 3 H₂O (l)을 나타낸다.
표준 생성 엔탈피는 임의의 화합물 1몰이 구성 원소의 표준 상태로부터 형성될 때의 엔탈피 변화이다. 1몰의 에테인 기체의 생성 엔탈피는 반응 2 C (흑연) + 3 H₂ (g) → C₂H₆ (g)을 나타낸다.
표준 수소화 엔탈피는 1몰의 불포화 화합물이 과량의 수소와 반응하여 완전히 포화될 때 관찰되는 엔탈피 변화로 정의된다. 1몰의 아세틸렌의 수소화는 에테인을 생성물로 생성하며, C₂H₂ (g) + 2 H₂ (g) → C₂H₆ (g)의 방정식으로 설명된다.
표준 중화 엔탈피는 산과 염기가 중화 반응을 거쳐 1몰의 물을 형성할 때 발생하는 엔탈피 변화이다. 예를 들어 수용액에서 염산과 수산화 마그네슘 염기의 표준 중화 엔탈피는 반응 HCl (aq) + 1/2 Mg(OH)₂ → 1/2 MgCl₂ (aq) + H₂O(l)을 나타낸다.
표준 증발 엔탈피(증발열)는 1몰의 물질이 증발(기화)할 때의 엔탈피 변화이다.
Enthalpy change of solution|표준 용해 엔탈피^영어(용해열)는 어떤 물질이 일정 압력 하에서 어떤 용매에 용해될 때의 엔탈피 변화이다.

6. 반응 엔탈피의 계산

반응 엔탈피 값은 여러 가지 방법으로 결정할 수 있는데, 관심 있는 반응에 대한 측정을 포함하거나 관련 반응에 대한 데이터로부터 계산하는 방법이 있다.

빠르게 완료되는 반응의 경우, 일반적으로 열량계를 사용하여 반응열을 직접 측정할 수 있다. 이러한 측정이 흔한 반응의 큰 부류 중 하나는 유기 화합물이 분자 산소(O₂)와 반응하여 이산화 탄소와 물(H₂O)을 형성하는 연소이다. 연소열은 소위 폭탄 열량계로 측정할 수 있는데, 여기서 고온에서 연소에 의해 방출된 열은 시스템이 초기 온도로 돌아감에 따라 주변으로 손실된다.^[7]^[8] 엔탈피는 상태 함수이므로 주어진 초기 및 최종 상태 사이의 모든 경로에 대해 값이 동일하므로 측정된 Δ''H''는 연소 동안 온도가 일정하게 유지되는 경우와 동일하다.^[9]

불완전한 반응의 경우, 평형 상수는 온도의 함수로 결정될 수 있다. 그런 다음 반응 엔탈피는 반트 호프 방정식에서 찾을 수 있다. 이와 밀접하게 관련된 기술은 특정 반응의 깁스 에너지를 온도의 함수로 측정하여 $K_\mathrm{eq}(T)$ 를 생성하고, 이를 통해 $\Delta_{\text {rxn}} H^\ominus$ 을 생성하는 전기 분석 볼타 전지의 사용이다.^[10]

또한 관심 있는 반응의 합이 되는 다른 여러 반응의 엔탈피로부터 하나의 반응 엔탈피를 평가할 수도 있으며, 이는 생성 반응일 필요는 없다. 이 방법은 헤스의 법칙을 기반으로 하며, 헤스의 법칙은 단일 반응 또는 여러 단계로 발생하는 화학 반응에 대해 엔탈피 변화가 동일하다고 명시한다.^[11] 각 단계에 대한 엔탈피를 측정할 수 있다면, 그 합은 전체 단일 반응의 엔탈피를 제공한다.

마지막으로 반응 엔탈피는 관심 있는 반응에서 끊어지고 형성되는 결합에 대한 결합 에너지를 사용하여 추정할 수 있다. 그러나 이 방법은 보고된 결합 에너지가 동일한 원소 간의 결합을 가진 서로 다른 분자에 대한 평균 값일 뿐이기 때문에 근사적이다.^[12]

참조

_[1] 서적 General Chemistry Prentice Hall 2002
_[2] 서적 Physical Chemistry: Principles and Applications in Biological Sciences Prentice-Hall 1995
_[3] 서적 Physical Chemistry: Principles and Applications in Biological Sciences Prentice-Hall 1995
_[4] 서적 Physical Chemistry: Principles and Applications in Biological Sciences Prentice-Hall 1995
_[5] 서적 Physical Chemistry Benjamin/Cummings 1982
_[6] 서적 Atkins' Physical Chemistry W.H. Freeman 2006
_[7] 서적 General Chemistry Prentice Hall 2002
_[8] 서적 Physical Chemistry Pearson Benjamin Cummings 2006
_[9] 서적
_[10] 서적 Physical Chemistry for the Chemical Sciences University Science Books 2014
_[11] 서적
_[12] 서적
_[13] 서적 General Chemistry https://archive.org/[...] Prentice Hall 2002

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