화학 고3 화학 변화의 자발성

에너지 다이어그램

Q: 전이 상태(봉우리)에 있는 물질을 병에 담아 둘 수 있나요?

없습니다. 전이 상태는 결합이 반쯤 끊기고 반쯤 만들어진 매우 불안정한 순간이라 붙잡아 둘 수 없습니다. 그림에서 봉우리가 뾰족한 점 하나인 이유입니다. 중간에 움푹 팬 골짜기가 있다면 그건 붙잡을 수 있는 '중간체'이고, 전이 상태와는 다릅니다.

Q: 온도를 올리면 그림의 봉우리가 낮아지나요?

아닙니다. 봉우리 높이(Ea)는 그대로이고, 대신 그 높이를 넘을 만큼 큰 에너지를 가진 분자의 비율이 늘어납니다. 언덕이 낮아지는 게 아니라 언덕을 넘을 체력을 가진 분자가 많아지는 것입니다.

Q: H가 음수(발열)면 반응이 저절로 일어나나요?

그런 경향이 있지만 그것만으로 결정되지는 않습니다. 자발성은 엔탈피와 엔트로피를 함께 봐야 판단할 수 있습니다. 또 H가 음수여도 Ea가 너무 크면 실질적으로 반응이 일어나지 않습니다 — 종이가 산소 속에서도 저절로 타지 않는 이유입니다.

반응물→전이 상태→생성물의 에너지 변화를 그린 도형. 활성화 에너지(Ea), 반응 엔탈피(ΔH), 촉매 효과(Ea 감소)를 한 그림으로 표현한다.

반응이 진행되는 동안 에너지가 어떻게 변하는지를 반응물 → 전이 상태 → 생성물 순서로 그린 그래프로, 활성화 에너지

E_{a}

와 반응 엔탈피

Δ H

를 한 그림에서 읽어냅니다.

언덕 하나를 넘어 옆 동네로 가는 지도라고 보면 됩니다. 언덕의 높이가 활성화 에너지, 출발 마을과 도착 마을의 높이 차이가 반응 엔탈피입니다. 언덕이 아무리 높아도 도착지가 더 낮으면 그 여행은 결국 '내리막'입니다.

쉽게 말하면

이 그림에서 가로축은 시간이 아니라 '반응 진행 정도'입니다. 반응물이 부딪혀 결합이 늘어나고 끊어지기 시작하는 도중의 상태들을 왼쪽에서 오른쪽으로 늘어놓은 것입니다. 세로축이 엔탈피이므로, 그래프의 높낮이는 그 순간 계가 가진 에너지를 뜻합니다.

그림에서 읽어야 할 값은 딱 두 개입니다. 하나는 활성화 에너지 $E_{a}$ — 반응물 높이에서 봉우리(전이 상태)까지의 높이 차입니다. 다른 하나는 반응 엔탈피 $Δ H$ — 반응물 높이에서 생성물 높이까지의 높이 차입니다. 생성물이 반응물보다 낮으면 $Δ H < 0$ (발열), 높으면 $Δ H > 0$ (흡열)입니다. 엔탈피와 열화학에서 배운 부호 규약이 그림에서는 그냥 '위냐 아래냐'로 보입니다.

두 값은 서로 완전히 다른 것을 말합니다. $E_{a}$ 는 반응이 얼마나 빨리 일어나는지(반응 속도)를 결정하고, $Δ H$ 는 반응이 에너지를 내놓는지 흡수하는지를 결정합니다. 봉우리가 낮으면 빠른 반응, 도착점이 낮으면 발열 반응 — 둘은 별개입니다.

촉매는 이 그림에서 봉우리를 낮춥니다. 정확히는 활성화 에너지가 더 낮은 다른 경로를 열어 주는 것입니다. 출발점과 도착점의 높이는 그대로이므로 $Δ H$ 는 변하지 않습니다. 촉매는 언덕에 터널을 뚫는 것이지, 도착 마을을 옮기는 것이 아닙니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

발열 반응의 그림

왼쪽 반응물에서 출발해 봉우리를 넘고, 오른쪽 생성물이 출발점보다 아래에 놓입니다. 넘어야 할 언덕은 있지만 결국 더 낮은 곳에 도착했으므로 그 차이만큼 열이 주위로 빠져나갑니다. 연소 반응이 대표적입니다.
예시 2

흡열 반응의 그림

생성물이 반응물보다 위에 놓입니다. 봉우리를 넘느라 넣은 에너지 중 일부만 돌려받고 나머지는 생성물 안에 저장되므로, 주위에서 열을 빼앗아 갑니다. 이때 활성화 에너지는 반드시 $Δ H$ 보다 큽니다 — 봉우리는 도착점보다 낮을 수 없기 때문입니다.
예시 3

촉매를 넣었을 때

$E_{a} (촉매) < E_{a}, Δ H (촉매) = Δ H$

봉우리만 낮아진 두 번째 곡선이 원래 곡선 안쪽에 그려집니다. 정반응의 $E_{a}$ 도, 역반응의 $E_{a}$ 도 같이 낮아지므로 정반응과 역반응이 둘 다 빨라집니다. 그래서 촉매는 평형에 도달하는 시간을 줄일 뿐, 평형의 위치를 바꾸지는 못합니다.

순서대로 하면

에너지 다이어그램에서 값 읽는 순서

1가로축이 '반응 진행'인지 확인합니다. 시간축이 아니므로 '몇 초 걸렸다'는 읽을 수 없습니다.
2왼쪽 평평한 부분(반응물)과 오른쪽 평평한 부분(생성물)의 높이를 표시합니다.
3 $Δ H = (생성물 높이) - (반응물 높이)$ — 생성물이 아래면 음수(발열)입니다.
4 $E_{a}$ (정반응) $=$ (봉우리 높이) $-$ (반응물 높이). 반드시 반응물에서 봉우리까지만 잽니다.
5 $E_{a}$ (역반응) $=$ (봉우리 높이) $-$ (생성물 높이). 발열 반응이면 역반응의 $E_{a}$ 가 더 큽니다.

활성화 에너지와 반응 엔탈피는 다른 것이다

구분	활성화 에너지 $E_{a}$	반응 엔탈피 $Δ H$
그림에서 재는 곳	반응물 → 봉우리 높이 차	반응물 → 생성물 높이 차
결정하는 것	반응 속도 (얼마나 빨리)	발열/흡열 (에너지를 내놓는가)
부호	항상 양수	발열은 음수, 흡열은 양수
촉매를 넣으면	작아진다	변하지 않는다
온도를 올리면	값 자체는 그대로 (넘는 분자 수가 늘 뿐)	거의 변하지 않는다

자주 하는 오해

활성화 에너지를 생성물 높이에서 재기

이렇게 생각하기 쉬움정반응의

E_{a}

=

봉우리 높이

-

생성물 높이

실제로는정반응의

E_{a}

는 반응물 높이에서 봉우리까지입니다. 봉우리에서 생성물까지의 차는 역반응의

E_{a}

입니다.

활성화 에너지는 '출발하는 쪽이 넘어야 할 언덕'이기 때문입니다. 어느 방향으로 가느냐에 따라 출발점이 달라지고, 그래서 정반응과 역반응의

E_{a}

가 서로 다릅니다. 실제로

E_{a} (정) - E_{a} (역) = Δ H

라는 관계가 그림에서 바로 보입니다.

촉매가 반응열도 줄여 준다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움촉매를 넣으면 활성화 에너지가 낮아지니 방출되는 열도 줄어든다

실제로는촉매는 봉우리만 낮춥니다. 반응물과 생성물의 높이는 그대로이므로

Δ H

, 즉 방출되는 열의 양은 똑같습니다.

엔탈피는 경로에 관계없이 처음 상태와 나중 상태만으로 정해지는 값(상태 함수)이기 때문입니다. 어떤 길로 넘어가든 출발지와 도착지의 높이 차는 변하지 않습니다. 만약 촉매가

Δ H

를 바꿀 수 있다면, 촉매를 넣었다 뺐다 하는 것만으로 에너지를 무한히 만들어 낼 수 있게 되어 버립니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

엔탈피와 열화학고3 활성화 에너지고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

없음 — 이 개념이 마지막입니다

같은 단원의 개념 — 화학 변화의 자발성

결합 에너지(결합 엔탈피)고3 깁스 자유 에너지와 자발성고3 보른-하버 순환고3 엔탈피와 열화학고3 엔트로피고3 자발성과 열역학 제2법칙고3 표준 생성 엔탈피고3 헤스 법칙고3

자주 묻는 질문

Q1전이 상태(봉우리)에 있는 물질을 병에 담아 둘 수 있나요?

없습니다. 전이 상태는 결합이 반쯤 끊기고 반쯤 만들어진 매우 불안정한 순간이라 붙잡아 둘 수 없습니다. 그림에서 봉우리가 뾰족한 점 하나인 이유입니다. 중간에 움푹 팬 골짜기가 있다면 그건 붙잡을 수 있는 '중간체'이고, 전이 상태와는 다릅니다.

Q2온도를 올리면 그림의 봉우리가 낮아지나요?

아닙니다. 봉우리 높이(

E_{a}

)는 그대로이고, 대신 그 높이를 넘을 만큼 큰 에너지를 가진 분자의 비율이 늘어납니다. 언덕이 낮아지는 게 아니라 언덕을 넘을 체력을 가진 분자가 많아지는 것입니다.

Δ H

가 음수(발열)면 반응이 저절로 일어나나요?

그런 경향이 있지만 그것만으로 결정되지는 않습니다. 자발성은 엔탈피와 엔트로피를 함께 봐야 판단할 수 있습니다. 또

Δ H

가 음수여도

E_{a}

가 너무 크면 실질적으로 반응이 일어나지 않습니다 — 종이가 산소 속에서도 저절로 타지 않는 이유입니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 화학 · 화학 변화의 자발성 수록 기본 (교육과정 단원)

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

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