표준 생성 엔탈피
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1. 개요
표준 생성 엔탈피는 화합물이 표준 상태의 원소로부터 생성될 때의 엔탈피 변화를 의미한다. 이는 헤스의 법칙을 통해 계산할 수 있으며, 이온 화합물의 경우 보른-하버 주기를 적용하여 계산한다. 유기 화합물의 경우, 연소열을 이용하여 표준 생성 엔탈피를 계산하며, 다른 반응의 표준 엔탈피 변화를 계산하는 데에도 활용된다. 298.15 K (25 °C) 및 1 atm에서의 다양한 무기 및 유기 화합물의 표준 생성 엔탈피 값이 표로 제시되어 있다.
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- 엔탈피 - 융해열
융해열은 물질이 고체에서 액체로 상전이할 때 흡수하는 열에너지로, 물질의 종류에 따라 고유한 값을 가지며 다양한 분야에 활용된다. - 엔탈피 - 표준 반응 엔탈피
표준 반응 엔탈피는 표준 상태에서 특정 반응이 일어날 때의 엔탈피 변화를 나타내는 열역학적 개념으로, 표준 생성 엔탈피와 관련되며 다양한 방법으로 평가되고 여러 유형의 반응에 따른 엔탈피 변화로 분류될 수 있다. - 열화학 - 발열 반응
발열 반응은 계의 엔탈피 감소를 동반하며 열을 방출하는 열역학적 과정으로, 분자 결합, 연소, 중화 반응 등 다양한 변화에서 발생하고 엔탈피 변화가 음수이며, 핫팩이나 난방 등에 활용되지만 화재 위험성도 있어 대체 에너지 기술 개발이 요구된다. - 열화학 - 헤스의 법칙
헤스의 법칙은 화학 반응의 엔탈피 변화가 반응 경로와 무관하게 초기 상태와 최종 상태에만 의존한다는 열역학 법칙으로, 이를 통해 직접 측정하기 어려운 반응의 엔탈피 변화를 계산하거나 이온성 화합물의 격자 에너지를 계산하는 데 활용된다.
2. 헤스의 법칙
헤스의 법칙은 여러 단계 반응의 엔탈피 변화 총합이 전체 반응의 엔탈피 변화와 같다는 것을 명시한다. 엔탈피는 상태 함수이므로 초기 상태와 최종 상태에만 의존하며, 중간 경로에는 영향을 받지 않는다.[4]
어떤 반응의 표준 엔탈피 변화는 반응물과 생성물의 표준 생성 엔탈피로부터 계산할 수 있다. 주어진 반응에서 모든 반응물이 표준 상태의 원소로 분해된 후, 다시 모든 생성물이 형성되는 과정을 거친다고 가정한다. 이때 반응열은 '생성물의 표준 생성 엔탈피 합 - 반응물의 표준 생성 엔탈피 합'으로 계산된다.
예를 들어, 메테인() 연소 반응(
:
는 표준 상태의 원소이므로, 이다. 따라서 위 식은 연소 엔탈피 에 대한 방정식과 동일하다.
2. 1. 헤스의 법칙 적용
많은 물질의 경우, 생성 반응은 실제적이든 가상이든 여러 개의 더 간단한 반응의 합으로 간주될 수 있다. 그러면 반응 엔탈피는 헤스의 법칙을 적용하여 분석할 수 있는데, 헤스 법칙은 여러 개별 반응 단계에 대한 엔탈피 변화의 ''합''은 전체 반응의 엔탈피 변화와 같다고 명시한다. 이는 엔탈피가 상태 함수이기 때문에 성립하며, 전체 과정에 대한 엔탈피 값은 초기 상태와 최종 상태에만 의존하고 중간 상태에는 의존하지 않는다.대부분의 유기 화합물에 대한 생성 반응은 가상적이다. 예를 들어, 탄소와 수소는 직접 반응하여 메테인(CH4)을 생성하지 않으므로 표준 생성 엔탈피를 직접 측정할 수 없다. 그러나 표준 연소 엔탈피는 폭탄 열량계를 사용하여 쉽게 측정할 수 있다. 표준 생성 엔탈피는 헤스의 법칙을 사용하여 결정된다. 메테인의 연소 반응식은 다음과 같다.
: CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O
이는 원소로의 가상 분해와 이어서 원소의 연소를 통해 이산화 탄소(CO2)와 물(H2O)을 생성하는 것의 합과 같다. 각 반응식은 다음과 같다.
: CH4 -> C + 2H2
: C + O2 -> CO2
: 2H2 + O2 -> 2H2O
헤스 법칙을 적용하면 다음과 같다.
: Δcomb *H*θ(CH4) = [ Δf *H*θ(CO2) + 2Δf *H*θ(H2O) ] - Δf *H*θ(CH4).
표준 생성 엔탈피에 대해 풀면 다음과 같다.
: Δf *H*θ(CH4) = [ Δf *H*θ(CO2) + 2Δf *H*θ(H2O)] - Δcomb *H*θ(CH4).
Δf *H*θ(CH4)의 값은 -74.8 kJ/mol로 결정된다. 음의 부호는 이 반응이 발열 반응임을 나타낸다. 즉, 메테인은 수소 기체와 탄소보다 엔탈피적으로 더 안정하다.
3. 이온 화합물: 보른-하버 주기
이온 화합물의 표준 생성 엔탈피는 보른-하버 주기에 포함된 여러 단계의 합과 같다.[3] 예를 들어 플루오린화 리튬의 생성은 여러 단계로 나누어 생각할 수 있다.
3. 1. 보른-하버 주기 단계 (플루오린화 리튬 예시)
이온 화합물의 경우, 표준 생성 엔탈피는 보른-하버 주기에 포함된 여러 항의 합과 같습니다. 예를 들어 플루오린화 리튬 생성 반응은 다음과 같습니다.
:
이 반응은 각각 고유한 엔탈피(또는 에너지)를 갖는 여러 단계의 합으로 간주할 수 있습니다.
# ''H''sub, 고체 리튬의 표준 원자화 엔탈피 (또는 승화).
# IELi, 기체 리튬의 제1 이온화 에너지.
# B(F–F), 플루오린 기체의 표준 원자화 엔탈피 (또는 결합 에너지).
# EAF, 플루오린 원자의 전자 친화도.
# ''U''L, 플루오린화 리튬의 격자 에너지.
이러한 엔탈피들의 합은 플루오린화 리튬의 표준 생성 엔탈피 (Δ''H''f)를 제공합니다.[3]
:
실제로 플루오린화 리튬의 생성 엔탈피는 실험적으로 결정될 수 있지만, 격자 에너지는 직접 측정할 수 없습니다. 따라서 격자 에너지를 평가하기 위해 위 방정식을 재배열합니다.[3]
:
3. 2. 격자 에너지 계산
이온 화합물의 경우, 표준 생성 엔탈피는 보른-하버 주기에 포함된 여러 항의 합과 같다. 예를 들어, 플루오린화 리튬의 생성은 다음과 같다.:
이는 각각 고유한 엔탈피(또는 에너지, 대략적으로)를 갖는 여러 단계의 합으로 간주할 수 있다.
# 고체 리튬의 표준 원자화 엔탈피 (또는 승화).
# 기체 리튬의 제1 이온화 에너지.
# 플루오린 기체의 표준 원자화 엔탈피 (또는 결합 에너지).
# 플루오린 원자의 전자 친화도.
# 플루오린화 리튬의 격자 에너지.
이러한 엔탈피의 합은 플루오린화 리튬의 표준 생성 엔탈피 ()를 제공한다.
:
실제로 플루오린화 리튬의 생성 엔탈피는 실험적으로 결정될 수 있지만, 격자 에너지는 직접 측정할 수 없다. 따라서 격자 에너지를 평가하기 위해 방정식을 재배열한다.[3]
:
4. 유기 화합물
대부분의 유기 화합물은 구성 원소로부터 직접 생성되는 반응을 관찰하기 어렵다. 예를 들어 탄소와 수소는 직접 반응하여 메테인을 생성하지 않으므로 표준 생성 엔탈피를 직접 측정할 수 없다. 이러한 경우, 가상적인 경로를 통해 표준 생성 엔탈피를 계산한다. 변형되지 않은 단순 유기 화합물의 생성열은 생성열 그룹 가산성 방법을 사용하여 예측할 수 있다.
4. 1. 연소열을 이용한 계산 (메테인 예시)
표준 연소 엔탈피는 폭탄 열량계를 사용하여 쉽게 측정할 수 있다. 헤스의 법칙을 사용하여 표준 생성 엔탈피를 결정한다. 메테인의 연소 반응은 원소로의 가상 분해와 이어서 이산화 탄소(CO2영어)와 물(H2O영어)을 생성하는 반응의 합과 같다.:
표준 생성 엔탈피에 대해 풀면,
:
의 값은 -74.8 kJ/mol로 결정된다. 음의 부호는 반응이 진행된다면 발열 반응일 것임을 보여준다. 즉, 메테인은 수소 기체와 탄소보다 엔탈피적으로 더 안정하다.
5. 다른 반응에 대한 계산에서의 활용
어떤 반응의 표준 엔탈피 변화는 헤스의 법칙을 사용하여 반응물과 생성물의 표준 생성 엔탈피로부터 계산할 수 있다.[4] 반응 엔탈피는 헤스의 법칙을 통해 분석할 수 있는데, 헤스의 법칙은 여러 개별 반응 단계에 대한 엔탈피 변화의 ''합''은 전체 반응의 엔탈피 변화와 같다고 명시한다. 이는 엔탈피가 상태 함수이기 때문에 성립하며, 전체 과정에 대한 엔탈피 값은 초기 상태와 최종 상태에만 의존하고 중간 상태에는 의존하지 않는다.
메테인의 연소 반응을 예로 들어 설명하면 다음과 같다. 메테인의 연소 반응식은 다음과 같다.
:
이 반응은 가상으로 메테인이 원소로 분해되는 반응과, 각 원소가 연소되어 이산화 탄소와 물을 생성하는 반응의 합으로 생각할 수 있다.
:
:
:
이 가상의 반응들에 헤스의 법칙을 적용하면, 메테인의 연소 엔탈피는 이산화탄소와 물의 표준 생성 엔탈피의 합에서 메테인의 표준 생성 엔탈피를 뺀 값과 같다.
5. 1. 반응열 계산 방법
어떤 반응의 표준 엔탈피 변화는 헤스의 법칙을 사용하여 반응물과 생성물의 표준 생성 엔탈피로부터 계산할 수 있다. 주어진 반응은 모든 반응물이 표준 상태의 원소로 분해된 다음 모든 생성물이 형성되는 것으로 간주된다. 반응열은 생성물의 표준 생성 엔탈피의 합에서 반응물의 표준 생성 엔탈피의 합을 뺀 값으로, 아래 방정식과 같다.[4]:반응열 = (생성물의 표준 생성 엔탈피 총합) - (반응물의 표준 생성 엔탈피 총합)
생성물의 표준 엔탈피가 반응물의 표준 엔탈피보다 작으면 반응의 표준 엔탈피는 음수이다. 이는 반응이 발열 반응임을 의미한다. 그 반대도 마찬가지이며, 흡열 반응의 경우 반응의 표준 엔탈피는 양수이다. 이 계산은 반응물과 생성물 사이의 이상 용액에 대한 묵시적 가정을 가지며, 여기서 혼합 엔탈피는 0이다.
예를 들어, 메탄의 연소(
:반응열 = [CO2의 표준 생성 엔탈피 + 2 * H2O의 표준 생성 엔탈피] - [CH4의 표준 생성 엔탈피 + 2 * O2의 표준 생성 엔탈피]
하지만 O2는 표준 상태의 원소이므로 O2의 표준 생성 엔탈피는 0이고, 반응열은 다음과 같이 단순화된다.
:반응열 = [CO2의 표준 생성 엔탈피 + 2 * H2O의 표준 생성 엔탈피] - CH4의 표준 생성 엔탈피
이것은 이전 절의 연소 엔탈피에 대한 방정식이다.
6. 엔탈피 계산을 위한 주요 개념
반응 엔탈피는 헤스 법칙을 이용하여 계산할 수 있다. 헤스 법칙에 따르면, 여러 단계의 반응에서 각 단계별 엔탈피 변화를 모두 더하면 전체 반응의 엔탈피 변화와 같다. 이는 엔탈피가 상태 함수이기 때문에 가능한데, 전체 과정의 엔탈피 값은 초기 상태와 최종 상태에만 영향을 받고, 중간 과정에는 영향을 받지 않는다.[4]
엔탈피 계산에 사용되는 주요 개념은 다음과 같다.
- 반응이 역전되면 Δ''H''의 크기는 같지만 부호는 반대가 된다.
- 반응식을 정수로 곱하면, 해당 Δ''H'' 값도 같은 정수를 곱해야 한다.
- 반응의 엔탈피 변화는 반응물과 생성물의 생성 엔탈피를 이용하여 계산할 수 있다.
- 표준 상태의 원소는 엔탈피 계산에 영향을 주지 않는다. 표준 상태 원소의 엔탈피는 0이기 때문이다. 표준 상태가 아닌 원소의 동소체는 보통 0이 아닌 표준 생성 엔탈피를 가진다.
예를 들어 메테인의 연소 반응(
:
:
이는 연소 엔탈피 에 대한 방정식과 같다.
7. 예시: 25 °C에서의 표준 생성 엔탈피
이온 화합물의 표준 생성 엔탈피는 보른-하버 주기에 포함된 여러 항의 합과 같다. 예를 들어 플루오린화 리튬의 생성은 다음과 같은 여러 단계로 나눌 수 있다.[3]
:
1. 고체 리튬의 표준 원자화 엔탈피(승화)
2. 기체 리튬의 제1 이온화 에너지
3. 플루오린 기체의 표준 원자화 엔탈피 (또는 결합 에너지)
4. 플루오린 원자의 전자 친화도
5. 플루오린화 리튬의 격자 에너지
이러한 엔탈피들의 합은 플루오린화 리튬의 표준 생성 엔탈피를 나타낸다.
7. 1. 무기 화합물
7. 2. 지방족 탄화수소
7. 3. 기타 유기 화합물
참조
[1]
간행물
standard pressure
[2]
서적
Principles of Modern Chemistry
https://books.google[...]
Cengage Learning
2011
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서적
Chemistry: The Molecular Science
2008
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웹사이트
Enthalpies of Reaction
http://www.science.u[...]
2018-05-02
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서적
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Perry's Chemical Engineers' Handbook
Mcgraw-Hill
2007
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논문
Gibbs Energy of Formation of SiC: A contribution to the Thermodynamic Stability of the Modifications
1998
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웹사이트
Silicon Carbide, Alpha (SiC)
https://janaf.nist.g[...]
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간행물
standard pressure
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