평형을 흔들면 — 르샤틀리에의 원리

지난 시간에는 평형이 Q=K인 자리라는 것을 배웠습니다. 오늘은 그 평형을 흔들어 Q와 K가 어긋나게 만들면 어떤 방향으로 회복되는지 봅니다.

오늘의 한 문장#

르샤틀리에의 원리는 평형에 변화를 주면 계가 그 변화를 부분적으로 줄이는 방향으로 이동한다는 원리입니다.

농도·압력 변화는 주로 Q를 흔들고, 온도 변화는 K 자체를 바꿉니다. 촉매는 평형 위치를 바꾸지 않습니다.

흔든 만큼 되받아 줄이는 방향#

평형 상태의 계에 농도, 압력, 온도 변화를 주면 계는 새 평형으로 이동합니다.

이동 방향은 변화를 완전히 없애는 방향이 아니라, 부분적으로 줄이는 방향입니다. 넣은 물질이 전부 사라지는 것도 아니고, 압력 변화가 완전히 원래대로 돌아가는 것도 아닙니다.

농도와 압력 효과#

반응물을 더 넣으면 계는 그 반응물을 일부 소비하는 방향으로 이동합니다. 생성물을 제거하면 생성물을 더 만드는 방향으로 이동합니다.

기체 반응에서 압력을 높이거나 부피를 줄이면 기체 몰수가 적은 쪽으로 이동합니다. 양쪽 기체 몰수가 같으면 압력 변화로는 이동하지 않습니다.

온도는 K를 바꾸는 자극#

온도 효과는 열을 반응식 한쪽에 놓고 읽으면 쉽습니다. 발열 반응은 열을 생성물 쪽에 놓고, 흡열 반응은 열을 반응물 쪽에 놓습니다.

온도를 올리면 계는 열을 소비하는 방향, 곧 흡열 방향으로 이동합니다. 발열 반응을 가열하면 역반응 쪽으로 이동하고 K가 작아집니다.

농도·압력 효과와 달리 온도 변화는 평형 상수 K 자체를 바꿉니다.

발열: 반응물 ⇌ 생성물 + 열
가열 -> 열을 소비하는 역반응 쪽
냉각 -> 열을 만드는 정반응 쪽

촉매와 하버-보슈의 줄다리기#

촉매는 정반응과 역반응의 활성화 에너지를 모두 낮춥니다. 그래서 평형에 더 빨리 도달하지만, 평형 위치와 K는 바꾸지 않습니다.

암모니아 합성 같은 산업 공정에서는 수율과 속도 사이의 줄다리기가 중요합니다. 낮은 온도는 평형 수율에 유리할 수 있지만 속도를 늦추고, 높은 압력은 기체 몰수가 적은 암모니아 쪽에 유리합니다.

르샤틀리에의 원리는 이런 조건 선택을 정성적으로 읽는 언어입니다.

N2(g) + 3H2(g) ⇌ 2NH3(g)  (발열)
압력 증가 -> NH3 쪽
온도 증가 -> 반응물 쪽
촉매 -> 위치 불변, 도달 빠름

다음 시간에는#

다음 시간에는 평형의 언어를 산과 염기에 적용합니다. pH, pKa, 완충 용액은 모두 산·염기 평형의 얼굴입니다.

📖 오늘의 낱말#

시험 함정 — 촉매#