흡열 반응 vs. 발열 반응

화학물질의 흡열 반응 및 발열 반응에 있어서 엔탈피 변화(ΔH), 반응열, 결합에너지(Bond energy) 또는 결합 엔탈피와의 관계에 대해 공유하고자 한다.

 

 

 

흡열 반응 vs. 발열 반응

엔탈피 변화(ΔH)

엔탈피(enthalpy, H) 정의에 대해서는 기 포스팅한 다음 링크 자료 참조

https://sec-9070.tistory.com/1269

엔탈피(Enthalpy) 개념

 

엔탈피는 그 값의 기준을 어떤 점으로 잡느냐에 따라 변하기 때문에 그 자체로 쓰이는 것 보다는 계의 어떤 상태와 다른 상태 간의 엔탈피 차이(ΔH)를 표현하는 방식으로 쓰인다.

그리고 화학 물질의  엔탈피는 온도와 압력에 따라 달라지므로 온도와 압력을 표시한다. 온도와 압력이 표시되어 있지 않으면 25℃, 1기압 상태이다. 

계의 엔탈피는 직접 측정하는 것은 사실상 불가능하며, 계의 엔탈피 변화로 대신 측정된다.

 

엔탈피 변화 (ΔH)는 다음 방정식으로 정의된다.

반응 엔탈피(ΔH) = 엔탈피 변화량 ≑  E출입량 ≑ Δ E (반응물 & 생성물) ≑  반응열

ΔH = Hf - Hi

ΔH는 "엔탈피 변화량"이다.

Hf는 계의 최종 엔탈피이다.

Hi는 계의 초기 엔탈피이다.

 

 

화학반응에서의 엔탈피 변화는 열역적 계 또는 주위에서 관찰된 엔탈피의 변화를 설명하고, 화학반응이 완료된 후 엔탈피 값은 달라진다.

이는 생성물과 반응물간의 엔탈피 차이로 나타나는 현상으로,

엔탈피 변화값 (ΔH)은 (생성물의 엔탈피 값의 총합) - (반응물의 엔탈피 값의 총합)으로 나타 낼 수 있다.

 

<그림 1> 엔탈피의 변화와 발열 반응, 흡열 반응

 

 

열 화학 반응식

열 화학 반응식은 화학 반응식에 반응열을 함께 표시한 식으로 반응열은 화학 반응식의 맨 뒤에 쓴다.

물질의 상태에 따라 에너지 상태가 달라지므로 반드시 물질의 상태를 함께 나타내야 한다.

<그림 2> 열 화학 반응식 표시 예

 

반응열은 화학 반응이 일어나기 전후의 반응물과 생성물 간의 위치 에너지 차이를 말하며, 

반응열 (Q)은 (반응물의 에너지 총합) - (생성물의 에너지 총합 )으로 나타 낼 수 있다.

 

<그림 3> 물의 합성과 분해에 따른 에너지 변화(발열 반응과 흡열 반응)

 

 

엔탈피 변화값 (ΔH)	반응열(Q)
ΔH = H(생성물) - H(반응물)	Q = Q(반응물) - Q(생성물)
- ΔH > 0: 흡열 반응  (반응물의 엔탈피 < 생성물의 엔탈피) - ΔH < 0 : 발열 반응 (반응물의 엔탈피 > 생성물의 엔탈피)	- Q < 0 : 흡열 반응 (반응계 에너지 < 생성계 에너지) - Q > 0 : 발열 반응 (반응계 에너지 > 생성계 에너지)

 

 

결합에너지(Bond energy, BE)

결합 에너지(Bond energy, BE), 또는 결합 엔탈피는 화학 결합의 세기를 측정하는 방식으로, 결합 에너지는 화학결합을 분리/해리하는데 필요한 엔탈피 변화(에너지 변화)량을 말한다.

- 분리 보다 결합되어 있을 때, 에너지 측면에서 얼마나 안정한가를 나타내는 척도로서, 결국 결합 엔탈피가 클수록 화학결합이 안정함을 나타낸다.

- 같은 종류의 분자에서 같은 종류의 결합을 끊는데 필요한 에너지는 항상 동일하다.

 

결합 에너지가 클 수록 분자의 에너지준위가 더 낮아지고, 따라서 화학결합이 더 안정하다.

결합에너지는 결합의 세기를 나타내는 척도라고도 볼 수 있다.

결합이 강할수록 결합을 끊는데의 에너지가 많이 소요된다.

결합에너지는 결합이 강할수록, 극성이 클수록, 단일결합 보다는 다중 결합일수록 증가한다.

예 1) HF, HCl, HBr, HI가 있을 때 결합의 극성은 HF > HCl> HBr> HI이다. 극성이 클수록 결합에너지가 크므로 결합에너지도 HF > HCl> HBr> HI이다.

예 2) C2의 단일 결합보다는 이중 결합이 이중결합보다는 삼중 결합이 결합에너지가 큰것이다.

 

화학반응은 원자의 재배열이라 볼 수 있는데 화학반응이 있기 위해서는 분자의 결합이 끊어져야 한다.

화학결합을 끊으려면 입자들 사이의 인력을 끊을 수 있는 만큼의 에너지가 필요하다.

분자의 에너지가 준위가 더 낮으면 더 안정하고, 더 안정한 화합물의 결합을 깨뜨리려면 더 많은 에너지가 필요하다.

어떤 결합을 깨뜨리는데 더 많은 에너지가 필요할수록 그 결합은 더 강한 결합이다.

- 발열 반응: 생성물의 결합에너지 > 반응물의 결합에너지

- 흡열 반응: 생성물의 결합에너지 < 반응물의 결합에너지

 

 

발열 반응 vs. 흡열 반응

<그림 4> 화학반응의 에너지 변화(흡열 반응과 발열 반응) 

 

	발열 반응	흡열 반응
엔탈피 변화  (ΔH)	에너지가 외부로 방출되는 반응이다.(온도 상승) ● 반응물의 엔탈피 > 생성물의 엔탈피 (ΔH < 0)	열에너지를 흡수하는 반응이다.(온도 저하) → 흡수한 에너지는 생성물이 결합하는 데 사용 ● 반응물의 엔탈피 < 생성물의 엔탈피  (ΔH > 0)
반응열 (Q)	에너지를 방출하여 엔탈피가 감소한다. ● 반응계 에너지 > 생성계 에너지 (Q > 0)	에너지를 흡수하여 엔탈피가 증가한다. ● 반응계 에너지 < 생성계 에너지 (Q < 0)
결합 에너지 (Bond energy)	생성물의 에너지 준위가 반응물보다 더 낮다.  ● 생성물의 결합에너지 > 반응물의 결합에너지	생성물의 에너지 준위가 반응물보다 더 높다. ● 생성물의 결합에너지 < 반응물의 결합에너지

 

Reference : 1. https://ko.wikipedia.org/wiki/엔탈피 

2.https://ko.wikipedia.org/wiki/결합 에너지