흡열 반응

3. 열역학

반응이나 물리적 변화에 따르는 열의 출입은 각 단계에서의 열 출입을 합한 것이다. 상전이로 인해 열이 흡수되는 것은 주로 분자간 인력, 수소 결합, 이온 결합 등에 의해 묶여 있던 분자, 원자, 이온 등이 에너지를 얻어 자유롭게 움직이기 때문이다. 물에 용질이 녹을 때, 보통 수화에 의해 많은 열이 발생하지만, 용질에 따라서는 수소 결합으로 만들어진 물 분자 클러스터를 파괴하여 에너지를 흡수하기도 한다. 이들의 총합으로 흡열 변화가 나타난다. 흡열 화학 반응에서는 분자를 이루는 공유 결합이나 전자 상태(산화, 환원) 등의 형태로 에너지가 흡수되며, 물리적 변화에 따르는 열 출입이 더해져 전체적으로 흡열이 된다.

반응의 진행 방향은 반응 및 환경 조건의 열역학적 성질에 의해 결정된다. 열을 ''Q''로 표시하고, 외부에서 내부로 열이 이동하는 경우를 양(+)으로 하면, 흡열 반응은 ''Q'' > 0으로 표시된다(반응열은 -''Q''이다). 정압 과정에서는 열은 엔탈피 ''H''의 변화와 같으므로, ''∆H'' > 0이 된다. 열이 이동하지 않는 (단열 과정) 경우, 흡열 반응으로 인해 계의 온도는 낮아진다.

정압 과정에서는 깁스 자유 에너지 ''G''(정적 과정이라면 헬름홀츠 자유 에너지 ''F'')가 감소하는 과정(발에르곤 반응)은 자발적으로 진행된다. 등온 과정에서 ''∆G'' = ''∆H'' - ''T∆S''이므로, 과정에서의 엔트로피 변화 ''∆S''가 충분히 크면, ''∆G'' < 0이 되어 흡열 반응이 자발적으로 진행된다. 그러나 흡열 화학 반응은 고온으로 가열해야 자발적으로 진행되는 경우가 많다. 엔트로피 변화가 작으면 ''∆G'' > 0, 즉 흡에르곤 반응이 되며, 전기 에너지를 이용하거나 다른 발열 반응과 함께 일어나게 하는 등의 방법(일을 하는 것)을 사용해야 한다. 상전이 중 융해, 기화는 고온이나 저압에서 발에르곤 반응이 되어 자발적으로 진행되지만, 저온이나 고압에서는 반대 방향의 응축, 응고가 발에르곤 반응이 되어 진행된다.

4. 예시

흡열 반응에는 다음과 같은 예시가 있다.

'''화학 반응'''

• 다수의 열분해 반응
• 금속의 환원
• 전기 분해, 축전지의 충전
• 식물의 광합성

• 요소나 당알코올의 물에 대한 용해
• 물과 아세토니트릴의 혼합
• 얼음의 융해, 물의 증발
• 철의 광분해

4. 1. 화학 반응

• 다수의 열분해 반응
• 금속의 환원
• 전기 분해, 축전지의 충전 (전기 에너지에 의한)
• 식물의 광합성

4. 2. 물리 변화

• 요소나 당알코올의 물에 대한 용해 (냉각에 응용)
• 물과 아세토니트릴의 혼합
• 얼음의 융해, 물의 증발
• 철의 광분해 (항성의 중력 붕괴의 원인)