화학 평형 — 정반응과 역반응이 같아지는 상태

활성화 에너지를 넘은 반응이 늘 한 방향으로 끝까지 가는 것은 아닙니다. 어떤 반응은 생성물이 다시 반응물로 돌아가는 길도 함께 열려 있습니다. 화학 평형은 그 두 길의 속도가 같아져 농도가 더 이상 변하지 않는 상태이고, 평형 상수 K는 그 상태의 치우침을 한 숫자로 적은 것입니다.

가역 반응과 양쪽 화살표#

가역 반응은 같은 그릇 안에서 정반응과 역반응이 모두 가능한 반응입니다. 반응식에는 한쪽 화살표 대신 ⇌를 써서 두 방향이 동시에 일어남을 표시합니다. 정반응은 반응물에서 생성물로 가는 길이고, 역반응은 생성물이 다시 반응물로 돌아가는 길입니다.

기체 반응이나 묽은 용액 반응 중 상당수가 가역 반응으로 작동하며, 폐쇄된 그릇 안에서는 시간이 충분히 지나면 두 방향이 균형을 이룬 상태에 자리 잡습니다.

동적 평형: 멈춤이 아니라 같음#

처음에는 정반응이 빠르지만 생성물이 쌓이면서 역반응도 점점 빨라집니다. 어느 순간 두 속도가 같아지면 겉보기 농도는 일정해지고, 분자 수준에서는 정반응과 역반응이 계속 이어집니다.

rate_forward = rate_reverse

이때의 상태가 동적 평형입니다. 정지가 아니라 두 방향의 흐름이 균형을 이룬 상태라는 점이 핵심입니다.

평형 상수 K로 치우침 적기#

일반 반응 aA + bB ⇌ cC + dD에서 평형 상수 K는 생성물 농도 곱을 반응물 농도 곱으로 나눈 형태로 정의됩니다. 각 농도는 반응식 계수만큼 거듭 곱합니다.

K = [C]^c[D]^d / ([A]^a[B]^b)

K가 크면 평형이 생성물 쪽으로 치우쳐 있고, K가 작으면 반응물 쪽으로 치우쳐 있습니다. 같은 온도에서 K는 일정하지만, 온도가 바뀌면 K 자체가 달라집니다.

여기서 한 가지 짚어 둘 점이 있습니다. K는 평형의 위치를 나타내는 양이고, k는 속도 상수입니다. 글자가 비슷할 뿐 K가 크다고 반응이 빠르다는 뜻은 아닙니다. K가 크지만 Eₐ가 높아 느린 반응도 있고, 그 반대도 있습니다.

반응 지수 Q로 방향 읽기#

반응 지수 Q는 평형 상수 K와 똑같은 모양의 식에 지금 순간의 농도를 넣은 값입니다. Q를 K와 비교하면 반응이 어느 쪽으로 더 진행되어야 하는지 한눈에 알 수 있습니다.

Q가 K보다 작으면 분자(생성물) 쪽이 부족하다는 뜻이므로 정반응 쪽으로 더 가야 K에 닿습니다. Q가 K보다 크면 그 반대입니다. Q는 평형이 아닌 순간에도 계산할 수 있다는 점이 K와 가장 큰 차이입니다.