[일반화학] Chapter 6 - (1)

6.1 에너지의 본질과 에너지의 종류

[1] 에너지

: 에너지는 일을 할 수 있는 능력이다.

1) 종류

1. 복사 에너지 (Radiant energy)
   : 태양에서 나오는 에너지로 지구의 주요 에너지원이다.

2. 열 에너지 (Thermal energy)
   : 원자와 분자의 무작위 운동과 관련된 에너지이다.

3. 화학 에너지 (Chemical energy)
   : 화학 물질의 결합 내에 저장된 에너지이다.

4. 핵 에너지 (Nuclerar energy)
   : 원자의 중성자와 양성자 집합 내에 저장된 에너지이다.

5. 위치 에너지 (Potential energy)
   : 물체의 위치에 따라 사용할 수 있는 에너지이다.

6.2 화학 반응의 에너지 변화

: $ΔU = U_2 - U_1$

[1] 화학 반응의 에너지 변화

1) 화학 반응의 에너지 변화 열

: 서로 다른 온도에 있는 두 물체 사이에 열 에너지가 전달되는 것을 말한다.

• 관계식:
  • $\propto \Delta U$ (내부 에너지 변화에 비례)
  • $\propto \Delta T$ (온도 변화에 비례)
• 온도는 열 에너지의 척도이다.

2) 열역학 공식 (내부 에너지의 변화)

$\Delta U = U_2 - U_1 = U_{final} - U_{initial} = U_{product} - U_{reactant}$

3) 열전달 방향 (열역학 제2법칙)

• $T_1$과 $T_2$ 사이의 열전달:
  • 조건 1: 만약 $T_1 > T_2$ 이면, 열은 $T_1$에서 $T_2$로 이동
  • 조건 2: 만약 $T_2 > T_1$ 이면, 열은 $T_2$에서 $T_1$로 이동
• 열은 항상 높은 온도에서 낮은 온도로 자발적으로 이동한다.

[2] 열화학 (Thermochemistry)

: 열화학은 화학반응의 열 변화를 연구하는 학문이다.

1) system

: 열화학 연구에서 관심을 갖는 우주의 특정 부분

1. open system (개방된 경우)
2. closed system (폐쇠된 경우)
3. isolated system (격리된 경우)

[3] 발열 및 흡열 과정 (Exothermic and Endothermic Processes)

1) 발열 과정

: 열을 방출하는 모든 프로세스로, system에서 surround로 열 에너지를 전달한다.

• 정의
  • 시스템에서 주변으로 열 에너지를 전달하는 과정
  • 열을 방출하는 모든 프로세스
• 특징
  • $\Delta U = U_2 - U_1$ 에서 $\Delta U < 0$ (음수)
  • 에너지가 시스템 밖으로 방출됨
• 예시 반응
  • 수소와 산소의 반응: $2H_2(g) + O_2(g) \rightarrow 2H_2O(l) + energy$
    수증기의 응축: $H_2O(g) \rightarrow H_2O(l) + energy$

2) 흡열 과정

: surround 환경에서 system으로 열을 공급해야 하는 모든 프로세스이다.

• 정의

  • 주변 환경에서 시스템으로 열을 공급받는 과정
  • 외부로부터 열을 흡수하는 모든 프로세스

• 특징

  • $\Delta U = U_2 - U_1$ 에서 $\Delta U > 0$ (양수)
  • 에너지가 시스템 안으로 흡수됨

• 예시 반응

  • 산화수은의 분해: $energy + 2HgO(s) \rightarrow 2Hg(l) + O_2(g)$
  • 얼음의 용해: $energy + H_2O(s) \rightarrow H_2O(l)$

3) 중요 포인트

1. 상태 표시:

   • (g): 기체 상태
   • (l): 액체 상태
   • (s): 고체 상태

2. 에너지 방향:

   • 발열 과정: 시스템 → 주변
   • 흡열 과정: 주변 → 시스템

3. 시스템과 주변(System and Surroundings):

   • 시스템: 관찰하고자 하는 물질이나 반응이 일어나는 부분
   • 주변: 시스템을 둘러싸고 있는 환경

[4] 발열 및 흡열 회로도

• 발열 : 시스템에서 주변으로 방출되는 열
  • 에너지는 product에서 reagent로 간다.
• 흡열 : 시스템이 주변에서 흡수하는 열
  • 에너지는 reaget / initail / before / 1에서 product / final / after / 2로 간다.

6.3 열역학 입문

[1] 열역학 (Thermodynamics)

: 열과 다른 종류의 에너지 상호 변환에 대한 과학적 연구이다.

1) 상태 함수 (state functions)

: 그 조건이 어떻게 달성되었는지에 관계 없이, system의 상태에 의해 결정되는 속성

2) 주 내용

3) 예시

: 등산객 1과 등산객 2의 위치에너지는 서로 다른 경고를 택했지만, 동일하다.

[2] 열역학 제 1법칙

: 에너지는 한 형태에서 다른 형태로 변환될 수는 있지만, 생성되거나 파괴될 수는 없다.

1) 예시 : 발열 화학 반응

• 연소 시스템에 의해 손실되는 화학 에너지 (negative) = 주변에서 얻는 에너지 (positive)

[3] 첫 번째 법칙의 또 다른 형태

: $ΔU = q + w$

1) 특징

1. $ΔU$ : 시스템 내부 에너지의 변화
2. $q$ (Heat) : system과 주변 환경 간의 교환된 열
3. w (Work) : system에서 (또는 system에 의해) 수행되는 작업

2) 공식

$w = -PΔV$

• 기체가 일정한 외부 압력에 대해 팽창할 때 발생.

3) Sign Conventins for Work and Heat

1. 시스템이 주변 환경에 대해 수행하는 작업 (sign -):
   : 시스템이 주변 환경에 대해 일을 할 때, 에너지가 시스템에서 외부로 나가는 것으로 간주되므로, 이 경우 에너지를 잃게 되어 부호가 마이너스(-)로 표시된다.
2. 주변 환경에 대한 시스템에서 수행하는 작업 (sign +):
   : 시스템이 주변 환경으로부터 일을 받을 때, 에너지가 외부로부터 시스템으로 들어오는 것이므로, 이 경우 에너지를 얻는 것으로 부호가 플러스(+)로 표시된다.
3. 주변 환경으로부터 시스템이 흡수한 열 (흡열 과정) (sign +):
   : 시스템이 주변 환경에서 열을 흡수할 때, 이 열 에너지가 시스템으로 들어가게 되어, 에너지를 얻는 것이므로 부호가 플러스(+)로 표시된다. 이는 흡열 과정이라고 한다.
4. 시스템이 주변 환경에 방출한 열 (발열 과정) (sign -):
   : 시스템이 열을 방출하여 주변 환경으로 보내면, 시스템의 에너지가 감소하므로 부호가 마이너스(-)로 표시된다. 이는 발열 과정이라고 한다.

[4] 시스템에서의 일 (Work Done on the System)

1) 기본 공식들

1. 일(Work)의 기본 정의: 일은 힘과 거리의 곱
   $w = F \cdot d$ (힘 × 거리)

• F: 힘 (Force)
• d: 거리 (Distance)

2. 압력-부피 일(Pressure-Volume Work)
   $w = -P\Delta V$

• P: 압력 (Pressure)
• ΔV: 부피 변화 (Volume change)

3. 압력-부피-힘 관계식
   $P \cdot V = \frac{F}{d^2} \cdot d^3 = F \cdot d = w$

2) 부피 변화와 일의 관계

• $\Delta V > 0$: 부피가 증가할 때
• $-P\Delta V < 0$: 시스템에 의해 수행된 일이 음수
• $w_{sys} < 0$: 시스템이 수행한 일

6.4 화학 반응의 엔탈피

[1] 엔탈피와 열역학 제 1법칙

: 열역학 제 1법칙은 에너지 보존 법칙으로, 시스템의 내부 에너지 변화 $(\Delta U)$는 시스템과 주변 간의 열 교환 (q)와 시스템이 한 일 (w)의 합으로 표현된다.

• $ΔU = q + w$
  • q = 엔탈피

1) 개념

• 엔탈피는 일정한 압력에서 열 변화와 관련이 있다.
• 내부 에너지 변화 (\Delta U)는 엔탈피 변화 (\Delta H)와 압력-부피 일 (PΔV)의 차로 표현된다.

2) 일정한 압력에서의 관계

• 열 (q)와 엔탈피 (ΔH):

  • 일정한 압력에서 열의 변화 (q)는 엔탈피 변화 (ΔH)와 같다:
  • $q = ΔH$

• 일 (w):

  • 시스템이 외부 압력 (P)에 대해 부피 변화가 있을 때 수행하는 일은 다음과 같다:
  • $w = -PΔV$

• 내부 에너지 변화 $(\Delta U)$와 엔탈피 $(ΔH)$의 관계:

  • 이제 이 두 식을 결합하면 다음과 같은 관계를 얻을 수 있다:
  • $\Delta U = \Delta H - PΔV$

• 이를 다시 정리하면, 엔탈피는 내부 에너지 변화와 압력-부피 일의 합으로 표현된다:

  • $\Delta H = \Delta U + PΔV$

[2] 엔탈피

: 일정한 압력에서 발생하는 공정에서 system으로 유입되거나, 유출되는 열의 흐름을 정량화하는 데 사용된다.

$ΔH = H(products) - H (reactants)$

1) $ΔH$

: 일정한 압력에서 반응하는 동안 방출되거나 흡수되는 열

이 그림은 엔탈피 변화(ΔH)의 두 가지 대조적인 경우를 보여주고 있습니다:

1. 흡열 반응의 경우 (왼쪽):

• H₂O(s) → H₂O(l) 반응
  • ΔH = +6.01 kJ/mol (양수)
• H생성물 > H반응물
  • 엔탈피가 증가하는 과정 (ΔH > 0)
• 시스템이 주변으로부터 열을 흡수
• 이는 얼음이 물로 녹는 과정을 보여줌

2. 발열 반응의 경우 (오른쪽):

• CH₄(g) + 2O₂(g) → CO₂(g) + 2H₂O(l) 반응
  • ΔH = -890.4 kJ/mol (음수)
• H생성물 < H반응물
  • 엔탈피가 감소하는 과정 (ΔH < 0)
• 시스템이 주변으로 열을 방출
• 이는 메탄의 연소 반응을 보여줌

[3] 열역학 표현식

1. 화학량론 계수 (stoichiometric coefiicients)는 항상 물질의 몰 수를 나타낸다.

• $H_2O (s) H_2O (l)$
• $ΔH = 6.01kJ/mol$

2. 반응을 역전(reverse)시키면, H의 부호가 바뀐다.

• $H_2O (l) H_2O (s)$
• $ΔH = -6.01kJ/mol$

3. 방정식의 양변에 계수 n을 곱하면, H도 같은 계수 n만큼 변해야 한다.

• $2H_2O (s) 2H_2O (l)$
• $ΔH = 2 * 6.01 = 12.0kJ$

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