화학 친화력

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1. 개요
2. 역사
- 2.1. 근대적 개념
3. 열역학
참조

1. 개요

화학 친화력은 화학 반응을 일으키는 물질의 결합 경향을 나타내는 개념이다. 역사적으로는 1250년경 알베르투스 마그누스에 의해 화학적 관계로 처음 사용되었으며, 18세기에는 윌리엄 컬렌에 의해 '선택적 친화력'이라는 용어로 발전했다. 18세기와 19세기에는 친화력 표가 화학 교육에 사용되었다. 현대 열역학에서는 깁스 자유 에너지 변화를 통해 정량적으로 정의되며, 화학 반응의 자발성을 판단하는 기준으로 활용된다.

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화학 친화력
화학 친화력
역사적 맥락
기원	18세기 후반, 칼 프리드리히 부르다흐의 'Kraftverwandtschaft' (1810)
주요 인물	토르베른 올로프 베르만 클로드 루이 베르톨레 헤르만 코페르니쿠스
개념
정의	화학 물질이 화합물을 형성하거나 분해되는 경향
초기 정의	한 물질이 다른 물질과 결합하는 선택적 경향 (토르베른 올로프 베르만)
현대적 해석	열역학적 자유 에너지 변화와 관련됨
열역학적 관점
기브스 자유 에너지	반응의 자발성을 결정하는 데 사용
엔탈피와 엔트로피	화학 친화력에 영향을 미치는 요인
수학적 표현	A = -ΔG (A = 친화력, ΔG = 기브스 자유 에너지 변화)
현대적 응용
화학 반응 속도론	반응 속도와 메커니즘 연구
촉매 작용	촉매의 효율성 평가
재료 과학	새로운 화합물 설계 및 합성
추가 정보
관련 개념	전자 친화도 친화성 크로마토그래피
참고 문헌
참고 문헌	아치볼드, E. J. (1911). Affinity, Chemical. 브리태니커 백과사전. 제 1권 (제11판). 케임브리지 대학교 출판부. 467쪽.

2. 역사

'친화력'이라는 개념은 매우 오래되었으며, 그 기원을 밝히려는 많은 시도가 있었다.^[5] 그러나 이러한 시도는 대부분 일반적인 방식 외에는 무의미하게 끝났는데, 그 이유는 "친화력"이 모든 마법의 기초가 되어 과학보다 앞서기 때문이다.^[2] 물리화학은 "친화력 이론"을 연구하고 공식화한 최초의 과학 분야 중 하나였다. 'affinitas'라는 이름은 1250년경 독일 철학자 알베르투스 마그누스에 의해 화학적 관계로 처음 사용되었다. 이후 로버트 보일, 존 메이오, 요한 글라우버, 아이작 뉴턴, 게오르크 슈탈 등은 연소 반응 중에 열이 어떻게 발생하는지 설명하기 위해 선택적 친화력에 대한 아이디어를 제시했다.^[3]

18세기 화학 강사 윌리엄 컬렌은 "선택적 친화력" 또는 선택적 인력이라는 용어를 사용했으며, 이는 18세기 스웨덴 화학자 토르베른 올로프 베르그만이 그의 저서 De attractionibus electivis^la (1775)에서 사용하면서 유럽 전역으로 확산되었다. 앙투안 라부아지에는 그의 저서 ''화학 원론 (Traité Élémentaire de Chimie)''에서 베르그만의 연구를 언급하고 선택적 친화력 또는 인력의 개념을 논의했다.^[7]^[8]

최초의 ''친화력 표''는 치환 반응을 기반으로 1718년 프랑스 화학자 에티엔 프랑수아 조프로이에 의해 발표되었다. 18세기 동안 스웨덴의 토르베른 베르그만과 스코틀랜드의 조셉 블랙과 같은 주요 화학자들이 새로운 화학적 발견을 수용하기 위해 표를 수정하면서 많은 버전의 표가 제안되었다. 모든 표는 본질적으로 물질의 작용에 대한 관찰을 대조하여 준비한 목록으로, 유사한 물질이 다양한 시약에 대해 나타내는 다양한 정도의 친화력을 보여주었다.

제프루아의 ''친화력 표'' (1718): 열의 맨 위에는 아래의 모든 물질과 결합할 수 있는 물질이 있으며, 헤더 아래의 각 열은 "친화력"의 정도에 따라 순위가 매겨져 있다.

이 표는 학생들에게 화학을 가르치는 데 사용된 중심적인 그래픽 도구였으며, 시각적 배열은 다른 종류의 다이어그램과 종종 결합되었다. 예를 들어, 조셉 블랙은 표를 교차형 및 원형 다이어그램과 결합하여 화학적 친화력의 핵심 원리를 시각화했다.^[11] 친화력 표는 클로드 루이 베르톨레가 도입한 친화력 개념에 의해 대체될 때까지 19세기 초까지 유럽 전역에서 사용되었다.

2. 1. 근대적 개념

현대 화학에서 친화력은 특정 원자 또는 분자가 결합하거나 반응하려는 경향을 나타내는 용어로 사용된다.^[1] 예를 들어, 1919년 의사 조지 캐리(George W. Carey)는 저서 《인생의 화학》(Chemistry of Human Life)에서 "건강은 혈액 내 적절한 양의 인산철 Fe₃(PO₄)₂에 달려 있으며, 이 염의 분자는 산소에 대한 화학적 친화력을 가지고 유기체의 모든 부분으로 운반하기 때문이다."라고 언급했다. 과거에는 화학 친화력이 '자기적 인력'과 유사한 의미로 사용되기도 했으며, 1925년까지 많은 저술에서 "화학 친화력의 법칙"이 언급되었다.^[1]

일리야 프리고진은 친화력의 개념을 요약하면서, "모든 화학 반응은 반응의 '친화력'이 사라지는 화학 평형 상태로 시스템을 몰아간다."라고 말했다.

3. 열역학

현대 열역학에서 친화력은 정량적으로 정의되며, 화학 반응의 자발성을 판단하는 기준으로 사용된다. 국제 순수·응용 화학 연합(IUPAC)은 친화력 ''A''를 일정한 압력과 온도에서 반응 진행도 ''ξ''에 대한 깁스 자유 에너지 ''G''의 음의 편미분으로 정의한다.^[12] 즉, 다음과 같다.

: $A = -\left(\frac{\partial G}{\partial \xi}\right)_{P,T}.$

따라서 친화력은 자발적인 반응에 대해 양수이다.

1923년, 벨기에의 수학자이자 물리학자인 테오필 드 돈더는 친화력과 화학 반응의 깁스 자유 에너지 사이의 관계를 유도했다. 드 돈더는 화학 반응이 일어날 가능성이 있는 화학 종의 혼합물을 고려할 경우, 다음 관계가 성립함을 증명했다.

: $A = -\Delta_rG. \,$

테오필 드 돈더의 저작을 바탕으로, 일리아 프리고진과 데페이는 ''화학 열역학''(1954)에서 화학 친화력을 반응 진행 변수 또는 반응 진행도 ''ξ''가 무한소로 증가함에 따라 보상되지 않은 열의 변화율 ''Q'''로 정의했다.

: $A = \frac{{\mathrm d}Q'}{{\mathrm d}\xi}. \,$

이 정의는 ''A'' = 0인 평형 상태의 시스템과 ''A'' ≠ 0인 비평형 상태의 시스템의 상태 변화를 정량화하는 데 유용하다.^[15]

IUPAC에 따른 현재 정의에 따르면, 정압 및 정온 조건에서 반응 진행도에 대응하는 깁스 에너지의 음의 편미분을 친화력으로 정의한다^[14]。 즉, 다음과 같다.

: $A = -\left(\frac{\partial G(T,P,N_1,\cdots)}{\partial \xi}\right)_{T,P}= -\left(\frac{\partial G(T,P,N_1^0+\nu_1\xi,\cdots)}{\partial \xi}\right)_{T,P}=\sum_i \nu_i \mu_i(T,P,N_1^0+\nu_1\xi,\cdots)\$

여기서 $N_1^0 \$ 은 반응 시작 시 성분 1의 물질량, $\nu_1 \$ 은 성분 1의 화학량론 계수이다.

정압, 정온 조건에서는 깁스 에너지가 최소가 될 때가 열역학적 평형 상태이다. 따라서 자발적으로 반응이 진행됨에 따라 친화력이 양의 값에서 감소하여 평형 상태가 되면

: $A = 0 \$

이 된다.

참조

_[1] 서적 1911
_[2] 서적 The Origins of Chemistry London 1966
_[3] 서적 A Short History of Chemistry Dover Publications, Inc. 1937
_[4] 서적 A System of Chemistry 1831
_[5] 서적 Affinity and Matter – Elements of Chemical Philosophy 1800-1865 Gordon and Breach Science Publishers 1971
_[6] 서적 Philosophical Chemistry in the Scottish Enlightenment Edinburgh 1975
_[7] 논문 Elements, Principles and the Narrative of Affinity https://www.academia[...] 2004
_[8] 서적 Variations on a Theme; Patterns of Congruence and Divergence among 18th Century Affinity Theories VDM Verlag Dr Muller Aktiengesellschaft 2008
_[9] 서적 From being to becoming. Time and Complexity in the Physical Sciences W.H.Freeman and Co 1980
_[10] 서적 L'affinité Gauthier-Villars 1936
_[11] 논문 How to See a Diagram: A Visual Anthropology of Chemical Affinity https://www.academia[...] 2014
_[12] 웹사이트 IUPAC Green Book and Gold Book in .pdf http://www.IUPAC.org
_[13] 간행물 Chemical Affinity http://www.1911encyc[...] 1911
_[14] 웹사이트 IUPAC Green Book http://old.iupac.org[...]
_[15] 서적 化学の原典3 化学熱力学学会出版センター
_[16] 서적 A System of Chemistry 1831
_[17] 서적 Affinity and Matter – Elements of Chemical Philosophy 1800-1865 Gordon and Breach Science Publishers 1971
_[18] 서적 The Origins of Chemistry London 1966
_[19] 서적 A Short History of Chemistry Dover Publications, Inc. 1937
_[20] 서적 1911

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