소개글
"일반화학 평형상수"에 대한 내용입니다.
목차
1. 화학 평형
1.1. 화학평형의 개념
1.2. 정반응과 역반응의 균형
1.3. 평형 상수식과 평형 상수
1.4. 온도와 평형 상수의 관계
2. 착이온 평형
2.1. 착이온의 개념
2.2. FeSCN2+의 착이온 평형
3. 비색법을 이용한 평형 농도 측정
3.1. 비색법의 원리
3.2. 흡광도와 농도의 관계
4. 실험 방법
4.1. 시약 및 기구
4.2. 실험 절차
5. 실험 결과
5.1. 농도 계산
5.2. 평형 농도 도출
5.3. 평형 상수 계산
6. 고찰
6.1. 초기 농도와 평형 농도
6.2. 반응 차수 변화에 따른 평형 상수 변화
7. 참고 문헌
본문내용
1. 화학 평형
1.1. 화학평형의 개념
화학평형이란 정반응과 역반응이 동시에 일어나고 있지만 반응물과 생성물의 농도가 일정하게 유지되는 상태를 말한다. 화학 반응에서 정반응과 역반응이 동등한 속도로 진행되어 반응물과 생성물의 농도비가 일정하게 유지되면, 이를 화학평형상태에 도달했다고 한다.
화학평형에 도달하게 되면 거시적으로는 반응이 멈춘 것처럼 보이지만, 실제로는 정반응과 역반응이 끊임없이 일어나고 있다. 반응물과 생성물의 농도비가 일정하게 유지되는 것은 정반응과 역반응의 속도가 같기 때문이다. 이러한 평형상태에서 반응물과 생성물의 농도비를 나타내는 식을 평형상수식이라 하며, 이 비를 평형상수(K)라고 한다.
평형상태에 도달하면 정반응과 역반응의 속도는 같아지지만, 그 절대값은 여전히 0이 아니다. 즉, 정반응과 역반응은 동시에 계속해서 일어나고 있으며, 이를 동적 평형이라고 한다. 이처럼 화학평형 상태에서는 거시적으로는 반응이 멈춘 것처럼 보이지만, 실제로는 끊임없이 정반응과 역반응이 일어나고 있다.
따라서 화학평형은 반응물과 생성물의 농도비가 일정하게 유지되는 동적인 상태라 할 수 있다. 이 때의 농도비를 나타내는 평형상수는 일정한 온도에서 특정한 값을 가지며, 이는 정반응과 역반응의 속도상수 비와 같다.
1.2. 정반응과 역반응의 균형
정반응과 역반응의 균형은 화학 평형의 핵심 개념이다. 화학 반응은 대부분 가역적이므로 한 방향으로만 일어나기보다는 정반응과 역반응이 동시에 발생한다. 반응 초기에는 정반응의 속도가 빨라 반응물이 빠르게 생성물로 전환되지만, 시간이 지나면서 역반응의 속도도 점점 빨라져 정반응과 역반응의 속도가 같아지게 된다. 이때 반응물과 생성물의 농도가 일정하게 유지되는 상태를 화학 평형 상태라고 한다.
화학 평형 상태에서는 정반응과 역반응이 동시에 일어나고 있지만, 육안으로는 반응이 일어나지 않는 것처럼 보인다. 이는 정반응과 역반응의 속도가 같아져 반응물과 생성물의 농도가 변하지 않기 때문이다. 정반응의 속도를 kf, 역반응의 속도를 kr이라고 할 때, 평형 상태에서는 kf[A]^a[B]^b = kr[C]^c[D]^d의 관계가 성립한다. 이 비는 평형 상수 Kc로 표현되며, 평형 상수는 반응물과 생성물의 농도 비에 해당한다.
따라서 화학 평형에서는 정반응과 역반응의 속도가 동일해지면서 반응물과 생성물의 농도가 일정하게 유지되는 상태를 의미한다. 이러한 평형 상태는 외부 조건의 변화에 따라 새로운 평형 상태로 이동하게 된다.
1.3. 평형 상수식과 평형 상수
평형 상수식과 평형 상수는 화학 평형을 이해하는 데 있어서 매우 중요한 개념이다. 평형 상수식은 평형 상태에서의 반응물과 생성물의 농도 비를 나타내는 식이다. 일반적인 가역 반응 aA + bB ⇌ cC + dD에 대한 평형 상수식은 다음과 같이 표현된다.
K = [C]^c[D]^d / [A]^a[B]^b
여기서 K는 평형 상수를 나타내고, [C], [D], [A], [B]는 각각 C, D, A, B의 평형 농도를 의미한다. 지수 c, d, a, b는 각 화학종의 반응 계수이다. 이 식은 화학 평형에서 정반응과 역반응의 속도가 같아지는 상태를 나타낸다.
평형 상수는 화학 반응의 평형 상태에서 반응물과 생성물의 농도 비를 나타내는 값으로, 특정 온도에서 일정한 값을 갖는다. 평형 상수의 크기를 통해 화학 반응의 경향성을 파악할 수 있다. 평형 상수가 매우 크면 정반응이 우세하게 일어나고, 평형 상수가 매우 작으면 역반응이 우세하게 일어난다. 따라서 평형 상수는 화학 평형 상태에서의 반응 진행 정도를 나타내는 중요한 지표가 된다.
평형 상수는 온도 변화에 따라 달라지는데, 화학 반응의 표준 엔탈피 변화와 온도 간의 관계를 통해 온도와 평형 상수의 관계를 설명할 수 있다. 발열 반응의 경우 온도 상승에 따라 정반응이 더 우세해지므로 평형 상수가 증가하고, 흡열 반응의 경우 온도 상승에 따라 역반응이 더 우세해지므로 평형 상수가 감소한다.
따라서 평형 상수식과 평형 상수는 화학 평형 상태를 정량적으로 분석하고 반응의 진행 정도를 파악하는 데 매우 중요한 개념이라고 할 수 있다.
1.4. 온도와 평형 상수의 관계
화학 반응이 평형 상태에 도달하면 반응물과 생성물 간의 농도 비가 일정한 값을 유지한다. 이 비를 평형 상수(equilibrium constant)라고 하며, 화학 반응의 특성을 나타내는 중요한 척도이다. 평형 상수는 반응 온도에 따라 변화하는데, 일반적으로 온도가 높아질수록 평형 상수 값이 증가한다.
온도와 평형 상수의 관계를 이해하기 위해서는 반응 엔탈피(ΔH°)와 반응 자유 에너지(ΔG°)의 개념을 알아야 한다. 반응 엔탈피는 반응이 일어날 때 방출되거나 흡수되는 열량을 의미하고, 반응 자유 에너지는 반응의 자발성을 결정하는 열역학적 함수이다.
평형 상수와 반응 엔탈피, 반응 자유 에너지의 관계는 다음과 같이 나타낼 수 있다:
ΔG° = -RT ln K
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참고 자료
이홍인(2014). 일반화학실험, 서울:자유아카데미
Raymond Chang외 1명(2016). 레이먼드 창의 일반화학(12권) 서울:사이플러스
사이언스 올, 화학 평형, 2019.11.19, https://www.scienceall.com/
위키백과, 화학 평형 2019.11.19 https://ko.wikipedia.org
학습백과 zum , 화학 평형, 2019 11.19, http://study.zum.com/book/12328
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http://clms.dankook.ac.kr/em/5ed4a2dd8ad33
http://clms.dankook.ac.kr/em/5ed287da46b80 (평형상수의결정)
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