발열반응, 흡열반응시 엔탈피 변화? 엔탈피 쉽게 설명.

열역학(thermodynamics)이란 말 자체의 어원은 thermo(열) + dynamics(동력)에서 왔다.

즉, 열과 일의 관계에 대한 학문이라는 것.

그 중, 엔탈피는 열역학의 핵심 요소로,  우리말로 쉽게 생각하면 '열함량'(heat content)이다.

기호는 H, 단위는 kJ로 나타낼 수 있다. 엔탈피 변화량은 △H. 

이를 사전에 찾아보면 보통 다음과 같이 어렵게 나와서 이해하기 힘들다.

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주어진 체계의 상태를 나타내는 열역학적 양의 하나로, H. 카메를링오네스는 이것을 “엔탈피”라고 하고, J. W. 깁스는 “열함수”라고 했다. “열함수” 또는 “깁스의 열함수”라고도 한다. 물체의 내부 에너지를 U, 압력을 p, 부피를 V라 했을 때 엔탈피 H는 아래와 같이 표시된다. 따라서 부피를 일정하게 유지하면 물질계가 주고받은 열량은 그대로 내부 에너지의 증감으로 표시되는, 압력을 일정하게 한 채 물질계에 드나든 열량은 물질계의 엔탈피 증감과 같게 된다.

H = U ＋ pV"

[출처: 네이버 지식백과 ] 

 발열반응은 △H < 0,

 흡열반응은 △H > 0   이라고 배웠을 것이다. 

 그렇다면 왜?? 이렇게 되는 것인지, 쉽게 설명해본다.

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무언가 물질들에 반응이 일어날 때는, (예: 연탄이 타며 열을 내는반응, 얼음이 녹아 물이되는 반응 등) 열이 방출되거나 흡수되면서 주변이 따뜻해지거나. 차가워진다.

 열이 가해지면 엔탈피가 증가하며, 반대로 열이 빠져나가면 엔탈피는 감소한다. 물질의 반응시간 동안 열이 빠져나가거나 가해지면서 이 엔탈피가 바뀐다.

그리고 보통 반응이 일어난다는 것은, 반응 전과 후의 물질의 상태가 바뀐다는 건데, 이 물질은, 아주 미시적으로 들어가면 분자, 그리고 분자를 구성하는 원자로 되어있다.. 

물질의 상태가 바뀌려면 이 분자들의 결합을 끊거나, 분자들끼리 더더욱 결합하거나. 해야 하는데,

 그러려면 당연 에너지가 필요하거나 에너지가 방출되어 필요로 하지 않아진다.

즉 이 분자를 이루고 있는 원자들의 화학결합을 끊기 위해선, 그만큼의 에너지가 필요하고 물질에서 이 에너지가 빠져나가면  반대로 끊어져있던 원자들이 결합한다.

만약 이 물질에 에너지가 가해지면(1), 물질의 엔탈피는 증가하여 자신을 구성하고 있는 분자들의 결합을 끊을 수 있다.

그리고 물질에서 에너지가 빠져나가면(2), 물질의 엔탈피는 감소하며 끊어져있던 분자들은 다시 붙는다.

(자료출처: http://employees.csbsju.edu/cschaller/Reactivity/thermo/TDenthalpy.htm)

*결합에너지는 여기서 분자를 구성하는 원자들끼리의 결합을 끊어 원자로 분리하는 데 필요한 에너지이다. 

이 때 이 결합의 세기 정도는, 결합을 구성하는 원자에 따라 다르다. 이 에너지는, 분자 1몰의 공유결합을 끊어 원자로 만드는 데 필요한 열을 측정하여 구하는데, 

이미 많은 과학자들이 측정하여 표를 만들어 놓았다..

  

(자료출처: http://www.webassign.net/silber/T9-02.gif)

이를 이용하여, 우리는 어떠한 반응을 하면 그 반응이 발열반응인지 흡열반응인지, 예상할 수 있다.

예를 들어, 메탄(CH₄₎이 연소하면 열을 방출할까? 흡수할까? 이는 화학적으로 계산해보지 않아도 사실 알 수 있다.. 보통 무언가가 연소하면, 불이 나면서

따뜻해지니까.. 사실 연소라는 말 자체의 사전적 의미가 "물질이 산소와 화합할 때 많은 빛과 열을 내는 현상"이다.. ㅎㅎ

어쨌든, 메탄의 연소반응을 화학식으로 나타내면 다음과 같다.

CH₄  + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O

(이는, 메탄의 화학식과, 연소가 내포하는 산소(O₂ )와의 반응을 생각하고, 이 반응의 결과는 이산화탄소(CO₂ )와 물(H₂O). 이라는 걸 생각하면 식 구할 수 있다. 메탄 1분자에는 수소(H)원자 4개, 탄소(C)원자 1개가 있으므로 생성물인 이산화탄소는 1분자, 물은 2분자 나올 것을 예상할 수 있다. ) 

  (이해가 쉽도록 그림으로 그려봤다.)

그러면 이 CH₄  와  O₂ 가 분해되어 CO₂ 와 H₂O를 생성하려면, C-H 4개 결합과 O=O 결합이 2개 분해되어야 한다.

그리고 C=O결합 2개와 O-H 결합 4개를 생성해야 한다.

그러려면, 

C-H 4개 분해  → 414kJ/mol * 4 = 1656kJ/mol             → 총 2652kJ/mol 가해짐(흡열)

O=O 2개 분해 → 498kJ/mol*2=996kJ/mol

C=O 2개 결합 → 745kJ/mol * 2 = 1490kJ/mol

O-H  4개결합 → 467kJ/mol * 4 = 1868kJ/mol              →총3358kJ/mol  방출(발열)

그럼 생성물들이 결합되는데 필요한 에너지(3358kJ/mol)가 반응물이 분해되는데 쓰이는 에너지(2652kJ/mol)보다 706kJ/mol이 더 크므로, 이 반응은 결국, 발열반응이라 할 수 있다. 반응이 일어나면 열이 물질 밖으로 나가서, 주위가 따뜻해지는 것이다.

이는 곧, 물질이 가지고 있는 엔탈피(H)가 열로 밖으로 빠져나가므로  결국 엔탈피 변화 △H < 0 이 되는 것.

△H = H(생성물) - H(반응물)

따라서, 발열반응은 △H < 0,

반대로 흡열반응은 △H > 0  이 된다고 할 수 있겠다..