본문내용
1. 열화학 - 엔탈피 측정
1.1. 실험 목적
화학반응 및 물리적 변화 과정에서 나타나는 열의 흡수 또는 방출을 열량계를 이용하여 측정함으로써 열화학의 개념을 이해하고, 엔탈피가 상태함수임을 확인하는 것이 이번 실험의 목적이다.""
1.2. 실험 이론
1.2.1. 엔탈피 화학
엔탈피 화학에서는 화학반응 및 물리적 변화 과정에서 나타나는 열의 흡수 또는 방출을 다룬다. 이때 "열"이란 일정한 압력에서 반응이 일어날 때 반응 전후의 온도를 같게 하기 위해 계가 흡수하거나 방출하는 열(에너지)을 의미한다. 이러한 열을 엔탈피라고 부른다. 엔탈피는 엔트로피와 더불어 물질계의 안정성과 변화의 방향, 화학 평형의 위치와 이동을 결정하는 핵심적인 요소이다.
화학반응에서 반응물질이 생성물질보다 더 많은 에너지를 함유하고 있다면, 반응이 진행되면서 물질이 함유한 에너지가 감소한다. 이때 감소한 에너지를 외부로 방출하는데, 이를 발열반응이라고 한다. 발열반응이 일어날 때에는 외부로 열을 방출하므로 주위의 온도가 올라가며, 빠르게 진행되는 경우 많은 양의 열이 일시에 방출되어 폭발 현상이 수반되기도 한다. 금속의 산화, 연료의 연소, 중화 반응 등의 화학 변화는 물론 기체의 액화, 액체의 응고 등의 상태 변화도 발열반응에 해당한다.
반면, 물질에 화학적 변화가 발생하며 에너지의 증감이 수반되는데, 반응물질의 에너지가 상대적으로 작고 생성물질의 에너지가 크다면 그 차이만큼의 에너지를 주위로부터 얻어와야 반응이 진행된다. 이처럼 반응물질의 에너지가 생성물질의 에너지보다 작아 추위로부터 열 에너지를 흡수하면서 진행되는 반응을 흡열반응이라고 한다. 반대로 반응물질의 에너지가 생성물질의 에너지보다 커 열을 주위로 방출하면서 진행되는 반응은 발열반응이라 할 수 있다.
표준 엔탈피는 표준 상태에서 물질 변화가 일어날 때, 관여되는 엔탈피 변화를 의미한다. 표준 상태는 온도 25°C, 기체의 경우 압력 1기압, 용액의 경우 농도 1mol/L에서 가장 안정한 상태를 말한다. 화학반응이 일어날 때 열이 방출되거나 흡수되는 것은 생성물질과 반응물질의 엔탈피 차이 때문이다. 화학 반응에서 생성물질의 엔탈피에서 반응물질의 엔탈피를 뺀 값을 엔탈피 변화 또는 반응 엔탈피라고 하며, ΔH로 표시한다.
1.2.2. 발열반응
발열반응은 화학 반응에서 반응물질이 생성물질보다 더 많은 에너지를 함유하고 있으며, 반응이 진행되면서 물질이 함유한 에너지가 감소하여 외부로 열을 방출하는 반응을 말한다. 일반적으로 발열 반응이 일어날 때에는 외부로 열을 방출하므로 주위의 온도가 올라가며 빠르게 진행되는 경우 많은 양의 열이 일시에 방출되어 폭발 현상이 수반되기도 한다. 금속의 산화, 연료의 연소, 중화 반응 등의 화학 변화는 물론 기체의 액화, 액체의 응고 등의 상태 변화로 발열 반응이 나타난다. 발열 반응의 역반응은 흡열 반응이다.
1.2.3. 흡열반응
흡열반응은 물질에 화학적 변화가 발생하며 에너지의 증가가 수반되는 반응이다. 만약 반응물질의 에너지가 상대적으로 작고, 생성하고자 하는 물질의 에너지가 크다면 그 차이만큼의 에너지를 주위로부터 얻어와야 반응이 진행된다. 즉, 반응물질의 에너지가 생성물질의 에너지보다 작아 반응이 일어나기 위해서는 주변으로부터 열 에너지를 흡수해야 한다. 이러한 경우를 흡열 반응이라고 한다. 흡열 반응의 예로는 얼음이 물로 녹는 상변화 반응, 질산(HNO3)의 생성 반응 등이 있다. 반대로 반응물질의 에너지가 생성물질의 에너지보다 커 열을 주위로 방출하면서 진행되는 반응은 발열 반응이라고 한다. 즉, 흡열 반응은 반응이 진행되면서 주변으로부터 에너지를 흡수하여 내부 에너지가 증가하는 반응이다.
1.2.4. 표준 엔탈피
표준 엔탈피는 표준 상태에서 물질 변화가 일어날 때, 관여되는 엔탈피 변화이다. 표준 상태란, 온도는 특별한 언급이 없는 한 25°C, 기체의 경우 압력은 1기압, 용액의 경우에는 농도 1mol/L, 물리적 상태는 특별한 언급이 없는 한 25°C(298.15K)에서 가장 안정한 상태를 의미한다.
예를 들어 화합물의 생성열은 일정한 압력 하에서 각 원소의 홑원소 물질로부터 한 화합물 1몰을 만들 때 흡수 또는 발생하는 열량을 뜻한다. 이는 성분 원소의 엔탈피 총합에서 화합물의 엔탈피를 뺀 것이 된다. 즉, 표준 엔탈피는 물질의 생성, 연소, 분해, 중화 등의 반응에서 기준 상태인 표준 상태에서 측정된 엔탈피 변화를 의미한다.
표준 상태에서의 엔탈피 변화는 화학 반응이나 물리적 변화 과정에서 열의 흡수 또는 방출을 나타내는 중요한 열화학량이다. 표준 엔탈피는 엔트로피와 함께 물질계의 안정성과 변화의 방향, 화학 평형의 위치와 이동을 결정하는 핵심적인 요소이다.
따라서 표준 엔탈피는 화학 반응이나 물리적 변화에서 방출되거나 흡수되는 열의 양을 정량적으로 나타내는 중요한 개념이라고 할 수 있다.
1.2.5. 엔탈피 변화
화학 반응이 일어날 때 열이 방출되거나 흡수되는 것은 생성물질과 반응 물질의 엔탈피 차이 때문이다. 화학 반응에서 생성물질의 엔탈피에서 반응물질의 엔탈피를 뺀 값을 엔탈피 변화 또는 반응 엔탈피라고 하며, ΔH로 표시한다. 즉, 엔탈피 변화(ΔH) = (생성물질의 엔탈피) – (반응물질의 엔탈피)로 구할 수 있다.
발열 반응의 경우 열역학적으로 반응물의 내부 에너지가 감소하여 반응열을 방출하므로 엔탈피의 변화 ΔH는 음(-)의 값을 가진다. 따라서 반응식의 우변에 나타낸 반응열과 엔탈피의 변화는 반대의 부호를 가진다. 반면, 흡열 반응의 경우에는 생성물질의 엔탈피가 반응물질의 엔탈피보다 크기 때문에 ΔH는 양(+)의 값을 갖게 된다.
엔탈피 변화는 화학 반응의 자발성을 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 일반적으로 발열 반응은 자발적으로 일어나는 경향이 있으며, 흡열 반응은 외부로부터 에너지를 공급받아야 일어난다. 이러한 엔탈피 변화에 따른 자발성은 엔트로피 변화와 함께 고려되어 화학 반응의 자발성을 판단할 수 있다.
또한 엔탈피 변화는 반응의 진행 방향을 결정하는데 영향을 미치며, 화학 평형 상태에서의 농도 비율을 결정하는 데에도 중요한 요소로 작용한다. 이처럼 엔탈피 변화는 화학 반응과 물리적 변화를 이해하는 데 필수적인 개념이다.
1.2.6. 반응열
반응열은 어떤 반응을 할 때, 방출하거나 흡수되는 열로 반응물의 에너지와 생성물의 에너지 차이이다. 즉, 화학반응은 일반적으로 열의 출입을 수반하는데, 어떤 반응계가 화학 반응에 수반하여 방출 또는 흡수하는 열을 말한다. 반응열이 방출될 때를 발열 반응, 흡수될 때를 흡열 반응이라고 한다. 보통 열화학 반응식에서 발열 반응인 경우에는 우변에 양의 값으로 나타내고, 흡열 반응인 경우에는 음의 값으로 나타낸다. 한편, 발열 반응의 경우 열역학적으로 반응물의 내부 에너지가 감소하여 반응열을 방출하므로 엔탈피의 변화 ΔH는 음(-)의 값을 가진다. 따라서 반응식의 우변에 나타낸 반응열과 엔탈피의 변화는 반대의 부호를 가진다. 반응열에는 연소열, 중화열, 생성열, 분해열, 용해열 등이 있다.
1.2.7. 열역학
열역학은 일과 열의 관계를 다루는 학문의 분야이다. 열 현상을 포함하여 자연계 안의 에너지 흐름을 통일적으로 다룬다. 주로 화학이나 공학 분야에서 응용되고 있다. 이 학문의 적용범위는 광범위하며 보편적인 결과를 내놓지만 현상론적인 해석에 의한 한계도 가지고 있다.
열역학 제1법칙은, 계의 내부 에너지 변화는 계가 흡수한 열과 계가 한 일의 차이이다. 즉, 계의 내부 에너지는 열의 형태로 더해지면 증가하고 계가 일을 하면 감소한다. 계에 가해진 에너지보다 어떠한 형태로든 더 많은 에너지를 얻을 수 없다는 것이다. 보존에 관한 개념을 나타낸다.
열역학 제2법칙은 고립계에서 총 엔트로피의 변화는 항상 증가하거나 일정하며 절대로 감소하지 않는다. 에너지 전달에는 방향이 있다. 즉, 자연계에서 일어나는 모든 과정들은 가역과정이 아니라는 것이다. 열역학 제2법칙은 사용할 수 있는 에너지가 모두 일로 바뀔 수 없다는 개념을 나타낸다.
열역학 제3법칙은 '계의 엔트로피는 절대온도가 0도에 접근할 때 일정한 값을 갖는다'는 것이다.
1.2.8. 열용량
열용량은 어떤 물질의 온도를 1°C 또는 1K 높이는데 필요한 열량으로, 열을 가하거나 빼앗을 때 물체의 온도가 얼마나 쉽게 변하는지를 알려주는 값이다. 단위는 cal/°C 또는 J/K를 사용한다. 열용량 C는 열량 Q를 온도 변화 ΔT로 나누어 계산할 수 있으며, 이는 C=Q/ΔT 로 표현된다. 열용량은 물질의 성질을 나타내는 중요한 열역학적 특성 중 하나이다. 예를 들어 물의 열용량은 4.184 J/g·°C로 매우 크기 때문에 온도 변화에 대한 열 출입이 크다. 반대로 알루미늄의 열용량은 0.897 J/g·°C로 작아 온도 변화가 크다. 따라서 열용량이 크다는 것은 온도 변화가 작다는 것을 의미한다. 열용량은 화학 공정이나 열 장치 설계 시 중요한 물성으로 고려된다.
1.2.9. 비열
비열은 어떤 물질 1g의 온도를 1°C만큼 올리는데 필요한 열량이다...
