화학 반응에서의 에너지 변화

 거의 모든 화학 반응은 일반적으로 열의 형태로 에너지를 흡수 또는 생성(방출)한다.

열 에너지와 열의 차이를 이해하는 것이 중요하다.

 

열(heat)은 온도가 서로 다른 두 물체 사이의 열 에너지의 이동이다.

이것을 더운 물체로부터 찬물로의 “열 흐름(heat flow)”이라고 말한다.

 

“열” 자체가 에너지의 이동을 의미하지만, 관례상 이러한 과정이 일어나는 동안의 에너지 변화를 설명할 때, “열의 흡수 또는 “열의 방출”이라고 한다.

이와 같이 화학 반응에서 열의 변화에 대한 연구를 열화학(thermochemistry)이라고 한다.

이 적외선 사진은 집에서 새어 나오는 에너지(열)을 보여준다. 붉은 색에 가까울수록 집에서 밖으로 방출되는 열이 커지는 것이다.

화학 변화와 관련된 에너지 변화를 검토하기 위하여 먼저 계(system)를 정의해야 한다.

계는 우리가 관심을 갖는 우주의 특정한 부분이다. 화학자들은 대개 물리 · 화학적 변화를 일으키는 물질을 포함하여 계라고 한다.

예를 들면, 산-염기 중화 실험에서 계는 NaOH 50 mL를 가하는 HC1 50 mL가 들어있는 비커가 될 수 있다.

계 밖의 모든 우주를 주위 (surroundings)라고 한다.

계에는 세 가지 형태가 있다. 

하나는 열린 계(open system)로서 계와 주위 사이에 물질과 에너지가 열의 형태로 교환될 수 있는 계를 말한다.

예를 들면, 열린 계는 그림 6.1(a)에 서 볼 수 있는 것과 같이 열린 용기에 물이 들어 있는 것이다.

그림 6.1(b)에서와 같이 플라스크가 닫혀 있으면, 수증기는 도망가지도 못하고, 주위에서 용기 내로 들어가 응축하지도 못하게 된다. 이러한 계를 닫힌 계(closed system)라고 한다.

이 계에서 에너지(열)는 이동할 수 있지만 물질은 이동할 수 없다.

그림 6.1(c)에서 볼 수 있는 것과 같이 전체가 단열되어 있는 용기에 물이 담겨 있으면, 물질이나 에너지 둘 다 이동이 허용되지 않는 고립계(isolated system)를 만들 수 있다.

그림6.1 플라스크 안에 물이 든 세 계가 있다. (a) 열린 계. (b) 닫힌 계. (c) 고립계.

산소 중에서 수소 기체의 연소 반응은 상당한 양의 에너지를 방출하는 화학 반응이다.

2H2(g) + O2(g) → 2H2O(I) + 에너지

이러한 경우에 반응 혼합물(수소, 산소, 물 분자)을 계(system)라 하고, 나머지 우주를 주위(surroundings)라 한다. 

에너지는 창조되거나 소멸될 수 없으므로, 계에서 감소한 모든 에너지는 주위에서 증가되어야 한다. 

 

따라서 연소 과정에서 발생되는 열은 계에서 주위로 이동한다. 이 반응은 열을 방출하는 과정 즉, 주위로 열 에너지가 이동하는 과정인 발열 과정 (exothermic process)의 한 예가 된다.

 

이제 다른 반응으로 높은 온도에서 산화 수은(II)(HgO)의 분해 반응을 생각해 보자.
에너지 + 2HgO(s) → 2Hg(l) + O2(g)

이 반응은 주위에서 계로(즉, HgO로) 열이 공급되는 흡열 과정(endothermic process)의 한 예이다.