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[동기부여] 간절히 원한다는것의 정도(5분 41초)

• 반응열을 정의하고 발열반응과 흡열반응을 구별할 수 있다.

• 엔탈피를 정의하고 반응열을 엔탈피로 나타낼 수 있다.

우리 주변의 화학 반응

금속과 산성용액의 반응결과 발생하는 열

화학 반응 빠르기 필요 요소

다음 그림의 화학반응에서 각 반응이 일어날 때의 에너지 출입 관계를 탐구 해 보자.

메탄올 연소 : 2CH3OH(ℓ) + 3O2(g) → 4H2O(ℓ) + 2CO2(g) + 에너지
중화반응 : HCl(aq) + NaOH(aq) → H2O(ℓ) + NaCl(aq) + 에너지
광합성 : 6CO2(g) + 12H2O(ℓ) + 에너지 →C6H12O6(s) + 6O2(g) + 6H2O(ℓ)
휴대용 찜질 팩(대부분 고체는 용해될 때 열을 흡수)

H2O(ℓ) + NH4NO3(s) + 에너지 → NH4 ⁺(aq) + NO3 ^-(aq)

물질이 화학 변화를 하는 동안에는 에너지(열)의 출입이 일어난다.
물질이 화학 변화를 하는 동안에 주위에서는 온도의 변화가 일어난다. 에너지를 방출 하면 주위의 온도는 올라가고, 에너지를 흡수하면 주위의 온도는 내려간다.

반응열

화학 반응이 일어날 때 발생하거나 흡수되는 열량

반응열을 나타내는 방법

엔탈피(enthalpy)
열화학 반응식

엔탈피(enthalpy) 또는 열함량

일정 온도, 일정 압력하에서 어떠한 물질이 가지고 있는 열에너지
물질이 가지는 엔탈피는 그 물질의 물리적 상태가 변하면 함께 변한다

엔탈피(enthalpy)변화 (ΔH)

일정한 압력 하에서 반응이 진행될 때 방출되거나 흡수되는 열의 양은 생성물질과 반응 물질의 엔탈피 차이에 의해 결정된다.
생성 물질과 반응 물질의 엔탈피 차이는 엔탈피 변화로 나타낸다.

그림 Ⅲ-1 반응 진행에 따른 엔탈피 변화

발열 반응

화학 반응이 일어날 때 열을 방출하는 화학 반응
생성 물질의 엔탈피가 반응 물질보다 낮으므로 주변으로 에너지를 방출한다. 따라서 주위의 온도를 높인다.
H생성 물질 < H반응 물질 : ΔH < 0

흡열 반응

화학 반응이 일어날 때 열을 흡수하는 화학 반응.
H생성 물질 > H반응 물질 : ΔH > 0
생성 물질의 엔탈피가 반응 물질보다 높으므로 주변의 에너지를 흡수 한다. 따라서 주위의 온도를 낮춘다.

열화학 반응식

열에너지 변화가 일어나는 반응식에 물질의 물리적 상태와 엔탈피 변화를 나타낸 식 ※ ΔH(delta H라고 읽는다.)
생성물의 엔탈피와 반응물의 엔탈피와의 차이(ΔH = H생성물 - H반응물)를 의미
발열 반응

CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l) + 890.4kJ
CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(l) ΔH = -890.4kJ
발열 반응에서는 생성 물질 쪽에 쓴 열에너지의 값이 (+)이거나 ΔH의 값이 (-)가 된다.

흡열 반응

CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g) - 178.3kJ
CaCO3(s) → CaO(s) + CO2(g) ΔH = +178.3kJ
흡열 반응에서는 생성 물질 쪽에 쓴 열에너지의 값이 (-)이거나 ΔH의 값이 (+)가 된다.

반응열의 표현

반응열은 반응계 바깥에서 측정하는 값
에너지가 발생해서 주위로 나오는 경우에는 ‘+’로, 반대로 에너지가 주위로부터 반응계로 들어가는 경우에는 ‘-’가 된다

반응열의 종류

생성열

화합물 1몰이 가장 안정한 성분 원소(홑원소 물질)로부터 생성될 때의 반응열

예) C(s, 흑연) + O2(g) → CO2(g) ΔH = -393.5kJ
예) N2(g) + O2(g) → 2NO(g) ΔH = +180.8kJ NO(g)

2몰이 생성될 때 180.8kJ의 에너지가 흡수되므로 NO(g)의 생성열(ΔH)은 +90.4kJ이다.

분해열

화합물 1몰이 가장 안정한 성분 원소로 분해될 때의 반응열
분해열은 생성열과 크기가 같고 부호만 반대이다.

예) 2NO(g) → N2(g) + O2(g) ΔH = -180.8kJ NO(g)

2몰이 분해될 때 180.8kJ의 에너지가 방출되므로 NO(g)의 분해열(ΔH)은 -90.4kJ이다.

용해열

물질 1몰이 다량의 물에 용해될 때의 반응열

예) H2SO4(l) + 물 → H2SO4(aq) ΔH = -79.8kJ ( 주의 : 다량의 물에 황산을 조금씩 섞어야 함 )
KNO3(s) + 물 → KNO3(aq) ΔH = +34.7kJ
대부분의 고체는 물에 용해될 때 열을 흡수하며, 기체나 액체가 용해될 때 열을 방출한다.

중화열

산과 염기가 반응하여 1몰의 물이 만들어지는 중화 반응에서의 반응열

예) HCl(aq) + NaOH(aq) → NaCl(aq) + H2O(l) ΔH = -57.7kJ
산과 염기의 종류에 관계없이 중화열은 모두 ΔH = -.57.7kJ 이다.

다음 반응을 발열반응과 흡열반응으로 구별해 보자.

1) 철의 산화 반응

2) 냉찜질, 더운 날 마당에 물을 뿌림

ΔH> 0면 생성 물질 총엔탈피가 반응 물질 총엔탈피보다 크다. 따라서 ΔH < 0면 열을 ( ) 하는 반응이다. 그러므로 ΔH < 0 이면 Q( )0다.

다음 보기 의 용어가 나타내는 뜻을 탐구해 보자.

< 보기>

에너지, 온도, 열, 열평형, 엔탈피 변화, 반응열

그림 Ⅲ-2 냉장고 원리 : 냉매의 상태가 변할 때(기체⇄액체)의 에너지 출입을 이용

일반적으로 전기냉장고의 냉각기에는 뷰테인을 사용하고 있다.

뷰테인을 압축기로 압력을 가하면 쉽게 액화되면서 열을 방출한다.

액체 상태로 된 뷰 테인이 증발기에서 기화하면 열을 흡수하므로, 주위의 온도가 내려간다.

기체로 된 뷰테인은 다시 압축기로 보내어 같은 과정을 반복한다. 이와 같은 과정으로 냉장고는 낮은 온도를 유지할 수 있다.

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세상에서 가장 값진 운동화(4분 56초)

다음 표준 상태의 평균 결합 엔탈피를 보고, 반응 엔탈피를 탐구해 보자.

표 Ⅲ-1 표준 상태의 평균 결합 엔탈피(D, kJ/mol)

그림 Ⅲ-3 결합 엔탈피(결합 에너지) 변화

그림 Ⅲ-4 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g)에서 결합 엔탈피와 반응 엔탈피

수소 원자가 수소 분자로 되기 위해서는 436kJ/mol의 에너지를 방출하고, 수소 분자 가 수소 원자로 되기 위해서는 436kJ/mol의 에너지를 흡수한다.
결합 엔탈피 변화가 클수록 화학 결합이 강하여 결합을 끊기 어렵다.
결합 엔탈피를 이용하면 1몰의 수증기(H2O) 생성 엔탈피는 -241kJ로 계산된다

결합 엔탈피(bond enthalpy, D)

화학반응에서 결합이 형성되거나 끊어질 때 수반되는 에너지
동일한 결합이 형성하거나 분해될 때 출입하는 에너지양은 같고 부호는 반대
결합이 끊어질 때에는 결합 에너지에 해당하는 만큼의 에너지를 흡수하고, 결합이 생성되면서 결합 에너지 만큼의 에너지가 방출되므로 그 차는 반응열에 해당

수소와 산소 기체로부터 수증기가 만들어지는 반응을 통하여 결합 엔탈피(D)와 반응 엔탈피(ΔH )의 관계

2H2(g) + O2(g) → 2H2O(g)

㉠ 2H2(g) → 4H(g) 2(H-H)＝2×436＝872kJ

㉡ O2(g) → 2O(g) (O=O) ＝498kJ

㉢ 4H(g)+2O(g) → 4(O-H결합) → 2H2O(g) 4(O-H)＝4×463＝1852kJ

2몰의 H2가 분해하여 4몰의 H를(㉠)
1몰의 O2가 분해하여 2몰의O 원자를 만든다.(㉡)
수소 원자와 산소 원자가 결합하여 4몰의 O-H 결합을 만들어 2몰의 수증기를 만든다.(㉢)
㉠ + ㉡＝1370kJ의 에너지를 흡수
㉢과정에서는 1852kJ의에너지를 발열
반응 엔탈피는 ΔH ＝(㉠+ ㉡) - ㉢＝-482kJ
이 값은 2몰의 수증기 분자가 생성될 때의 엔탈피 변화이므로 1몰의 수증기(H2O) 생성 엔탈피는 -241kJ로 계산

표 Ⅲ-1의 결합 엔탈피 값을 이용하여 HCl(g)의 생성열(ΔH )을 구하시오.

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사랑해요 어머니(I Love you, Mom)(5분 24초)

	< 보기>

에너지, 온도, 열, 열평형, 엔탈피 변화, 반응열