화학 고2 원자의 세계(심화) 심화

결합 에너지

Q: 표에 나온 결합 에너지는 왜 '평균'인가요?

같은 종류의 결합이라도 주변 환경에 따라 값이 조금씩 다릅니다. 메테인(CH4)의 C-H 결합을 하나씩 떼어 낼 때도 첫 번째와 네 번째에 드는 에너지가 서로 다릅니다. 그래서 여러 분자에서 얻은 값을 평균 내어 표로 만듭니다. 결합 에너지로 구한 H가 실제 값과 조금 어긋나는 이유가 여기에 있습니다.

Q: 결합 에너지와 결합 길이는 어떤 관계인가요?

대체로 결합 에너지가 클수록 결합 길이는 짧습니다. 원자를 더 세게 끌어당겨 가깝게 붙여 놓은 결합일수록 떼어 내기도 어렵기 때문입니다. 같은 원자쌍 사이에서 단일·이중·삼중 결합을 비교하면 이 경향이 뚜렷하게 보입니다.

Q: 결합 에너지로 구한 H가 실험값과 정확히 같지 않은 이유는 무엇인가요?

두 가지 때문입니다. 첫째, 표의 값이 평균값입니다. 둘째, 이 방법은 모든 물질이 기체 상태라고 가정합니다. 실제 반응에서 물이 액체로 생긴다면 응축하며 나오는 열이 더해지므로, 기체만 가정한 계산과는 차이가 납니다.

화학 결합을 끊는 데 필요한 에너지.

기체 상태의 분자에서 어떤 화학 결합 1몰을 끊어 원자로 떼어 놓는 데 필요한 에너지이며, 단위는 보통

kJ/mol

입니다.

결합은 서로 붙어 있는 자석 같습니다. 떼어 내려면 반드시 힘(에너지)을 써야 하고, 다시 철컥 붙을 때는 오히려 에너지가 나옵니다. 결합 에너지는 '이 자석을 떼는 데 얼마나 드는가'를 숫자로 적어 둔 것입니다.

쉽게 말하면

공유 결합은 두 원자가 전자쌍을 나눠 가지며 따로 있을 때보다 에너지가 낮아진 상태입니다. 에너지가 낮은 골짜기에 빠져 있으니, 다시 떼어 내려면 그만큼을 도로 채워 넣어야 합니다. 그 '채워 넣어야 하는 양'이 결합 에너지이고, 그래서 결합을 끊는 과정은 언제나 흡열입니다. 반대로 결합이 만들어질 때는 같은 크기만큼 에너지가 나옵니다 — 언제나 발열입니다.

이 두 방향을 합치면 화학 반응의 열을 어림할 수 있습니다. 반응이란 결국 반응물의 결합을 끊고 생성물의 결합을 새로 맺는 일이므로,

$Δ H \approx (끊은 결합 에너지의 합) - (만든 결합 에너지의 합)$

입니다. 새로 만든 결합이 더 튼튼하면 낸 에너지가 쓴 에너지보다 커서 발열, 반대면 흡열입니다. 연료가 탈 때 열이 나는 이유도 '결합이 끊어져서'가 아니라, 끊는 데 쓴 것보다 $C O_{2}$ 와 $H_{2} O$ 의 튼튼한 결합을 만들며 되돌려받은 것이 더 많기 때문입니다.

결합 에너지는 결합의 세기를 재는 자이기도 합니다. 같은 두 원자 사이라면 결합 차수가 클수록(단일 → 이중 → 삼중) 결합 에너지가 커지고 결합 길이는 짧아집니다. 원자를 더 세게 끌어당겨 붙여 놓았으니 가깝고, 떼기도 어려운 것입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

결합 에너지로 반응 엔탈피 어림하기

$H_{2} + C l_{2} \to 2 HCl$

$H - H$ 약 $436$ , $Cl - Cl$ 약 $243$ , $H - Cl$ 약 $431 kJ/mol$ 을 쓰면 $Δ H \approx (436 + 243) - (2 \times 431) = - 183 kJ$ 입니다. 값이 음수이므로 발열 — 새로 만든 $H - Cl$ 결합 두 개가 끊은 결합들보다 더 튼튼하다는 뜻입니다.
예시 2

결합 차수와 결합 에너지

탄소 사이의 결합을 비교하면 $C - C < C = C < C \equiv C$ 순으로 결합 에너지가 커지고, 결합 길이는 그 반대로 짧아집니다. 다만 이중 결합의 에너지가 단일 결합의 정확히 2배는 아닙니다. 두 번째로 겹친 결합은 첫 번째만큼 효율적으로 겹치지 못하기 때문입니다.
예시 3

질소 분자가 잘 반응하지 않는 이유

공기의 약 $78%$ 가 질소인데도 질소는 좀처럼 반응하지 않습니다. $N \equiv N$ 삼중 결합의 결합 에너지가 유난히 커서 끊기가 매우 어렵기 때문입니다. 그래서 질소로 암모니아를 만드는 공정에는 높은 온도와 압력, 그리고 촉매가 함께 필요합니다.

순서대로 하면

결합 에너지로 $\Delta H$ 어림하는 순서

1반응물과 생성물의 구조식을 그려 어떤 결합이 몇 개씩 있는지 셉니다.
2반응물 쪽 결합을 전부 끊는다고 보고 결합 에너지를 모두 더합니다 (들어가는 에너지, +).
3생성물 쪽 결합을 전부 새로 만든다고 보고 결합 에너지를 모두 더합니다 (나오는 에너지, −).
4 $Δ H \approx (끊은 것의 합) - (만든 것의 합)$ 으로 계산합니다.
5부호를 확인합니다 — 음수면 발열, 양수면 흡열입니다.

자주 하는 오해

결합이 끊어질 때 에너지가 나온다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움연료가 타면서 결합이 끊어지니까 그 결합에 '저장된' 에너지가 튀어나온다

실제로는결합을 끊는 데는 반드시 에너지가 들어갑니다(흡열). 열이 나는 것은 그다음에 더 튼튼한 결합을 새로 만들면서 되돌려받는 에너지가 더 크기 때문입니다.

결합은 에너지를 담아 둔 주머니가 아니라, 에너지가 낮아진 안정한 상태입니다. 골짜기에서 빠져나오려면(끊으려면) 에너지를 써야 합니다. 발열 반응은 '얕은 골짜기에서 나와 더 깊은 골짜기로 떨어지는' 일이고, 그 깊이 차이가 방출되는 열입니다.

결합 에너지가 큰 물질일수록 반응이 잘 일어난다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움결합 에너지가 크니까 에너지가 많고, 그러니 반응도 잘 하겠지

실제로는결합 에너지가 크다는 것은 그 결합이 튼튼해서 끊기 어렵다는 뜻이므로, 오히려 반응하기 어렵습니다.

결합 에너지는 '분자가 가진 에너지'가 아니라 '떼어 내는 데 드는 비용'입니다. 질소의 삼중 결합처럼 비용이 큰 결합은 좀처럼 끊어지지 않아 반응이 잘 시작되지 않습니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

공유 결합고2

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

없음 — 이 개념이 마지막입니다

같은 단원의 개념 — 원자의 세계(심화)

양자수고2 오비탈고2 원자 모형고2 전자 배치고2

자주 묻는 질문

Q1표에 나온 결합 에너지는 왜 '평균'인가요?

같은 종류의 결합이라도 주변 환경에 따라 값이 조금씩 다릅니다. 메테인(

C H_{4}

)의

C - H

결합을 하나씩 떼어 낼 때도 첫 번째와 네 번째에 드는 에너지가 서로 다릅니다. 그래서 여러 분자에서 얻은 값을 평균 내어 표로 만듭니다. 결합 에너지로 구한

Δ H

가 실제 값과 조금 어긋나는 이유가 여기에 있습니다.

Q2결합 에너지와 결합 길이는 어떤 관계인가요?

대체로 결합 에너지가 클수록 결합 길이는 짧습니다. 원자를 더 세게 끌어당겨 가깝게 붙여 놓은 결합일수록 떼어 내기도 어렵기 때문입니다. 같은 원자쌍 사이에서 단일·이중·삼중 결합을 비교하면 이 경향이 뚜렷하게 보입니다.

Q3결합 에너지로 구한

Δ H

가 실험값과 정확히 같지 않은 이유는 무엇인가요?

두 가지 때문입니다. 첫째, 표의 값이 평균값입니다. 둘째, 이 방법은 모든 물질이 기체 상태라고 가정합니다. 실제 반응에서 물이 액체로 생긴다면 응축하며 나오는 열이 더해지므로, 기체만 가정한 계산과는 차이가 납니다.

교육과정 2022 개정 · 고2 화학 · 원자의 세계(심화) 수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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