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화학 평형

적갈색 기체인 이산화 질소(NO₂) 분자 2개가 결합하면 무색 기체인 사산화 이질소(N₂O₄)가 되고, N₂O₄는 다시 NO₂ 2개로 나뉘어요. 이처럼 정반응과 역반응이 모두 일어나는 가역 반응에서, 색이 더 이상 변하지 않는 화학 평형 상태를 분자 수준에서 들여다보세요.

2022 개정 교육과정화학 화학 평형 · 동적 평형, 평형 상수, 반응 지수, 화학 평형의 이동고급 화학 화학 평형 · 반응 지수와 평형 상수, 온도와 평형 상수화학 실험 농도·온도·압력 변화에 따른 평형 이동 관찰

2NO₂(g)  ⇄  N₂O₄(g)  정반응: 열 방출(발열) · 적갈색 ⇄ 무색

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N 원자O 원자정반응 (결합)역반응 (분해)
이하은T 과학 실험실

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농도 변화

(가)는 NO₂만, (나)는 N₂O₄만 넣고 시작했어요 · 실선 (가), 점선 (나)

[NO₂][N₂O₄]

정반응 속도와 역반응 속도

두 속도가 같아지면 농도가 더 이상 변하지 않아요 · 실선 (가), 점선 (나)

정반응 속도역반응 속도
가역 반응

정반응과 역반응

  • 정반응: 2NO₂ → N₂O₄ (적갈색 → 무색)
  • 역반응: N₂O₄ → 2NO₂ (무색 → 적갈색)
  • 조건에 따라 양쪽 방향으로 모두 일어나는 반응
동적 평형

멈춘 것처럼 보여도

  • 정반응 속도 = 역반응 속도
  • 반응물과 생성물의 농도가 일정하게 유지되어 색이 변하지 않음
  • 분자 수준에서는 정반응과 역반응이 계속 일어남
평형 상수

K = [N₂O₄] / [NO₂]²

  • 평형 농도를 반응식의 계수만큼 거듭제곱해 나눈 값
  • 처음 농도와 관계없이 온도가 같으면 일정
  • 온도가 달라지면 평형 상수도 달라짐
반응 지수

Q와 K 비교

  • Q < K: 정반응 쪽으로 진행
  • Q = K: 평형 상태
  • Q > K: 역반응 쪽으로 진행
평형 이동

농도 · 압력 · 온도

  • 농도: 넣은 물질의 농도가 줄어드는 쪽으로
  • 압력 증가: 기체 분자 수가 줄어드는 쪽(정반응)으로
  • 온도 증가: 열을 흡수하는 쪽(흡열, 역반응)으로
생활 속 사례

평형 이동의 이용

  • 암모니아 합성(하버 공정): N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃, 높은 압력으로 생성물 쪽으로 이동시키고 촉매로 반응 속도를 높임
  • 탄산음료의 뚜껑을 열면 압력이 낮아져 녹아 있던 이산화 탄소가 기체로 빠져나옴

생각해 보기

  1. ①에서 (가)와 (나)의 색이 결국 같아지는 까닭은 무엇일까요? 처음 넣은 물질은 다른데 평형 농도는 어떤가요?
  2. ①에서 ‘분자 하나 따라가기’로 노란 테두리의 분자를 지켜보세요. 색이 변하지 않는 평형 상태에서도 이 분자는 NO₂로 있을까요, N₂O₄로 있을까요?
  3. ②의 기록표에서 실험마다 거의 같은 값이 나오는 열은 어느 것인가요? 이 값을 무엇이라고 하나요?
  4. ②에서 반응을 시작하기 전에 Q를 구해 K와 비교해 보고, 어느 쪽으로 반응이 진행될지 예측한 뒤 확인해 보세요.
  5. ③에서 피스톤을 누르면 색이 어떻게 변하나요? 처음에 진해졌다가 다시 조금 연해지는 까닭을 설명해 보세요.
  6. ③에서 얼음물에 넣으면 색이 연해지고 뜨거운 물에 넣으면 진해져요. 정반응이 발열 반응이라는 사실과 연결해 설명해 보세요.