화학 고2 화학 평형

화학 평형 상수(K)

가역 반응이 동적 평형 상태에 도달했을 때 생성물과 반응물 농도비로 나타내는 일정한 값이다.

가역 반응이 평형에 도달했을 때, 생성물 농도의 곱을 반응물 농도의 곱으로 나눈 값(각 농도는 계수만큼 거듭제곱)이며, 온도가 같으면 항상 일정한 수입니다.

K

는 반응이 '어디에서 멈춰 서는지'를 알려 주는 저울의 눈금입니다.

K

가 크면 저울이 생성물 쪽으로 기울어 반응이 거의 끝까지 가고, 작으면 반응물 쪽에 그대로 머무릅니다.

쉽게 말하면

$a A + b B ⇌ c C + d D$ 반응이 평형에 이르면 다음 값이 일정해집니다.

$K = \frac{[ C ] ^{c} [ D ] ^{d}}{[ A ] ^{a} [ B ] ^{b}}$

놀라운 점은, 처음에 반응물을 얼마나 넣고 시작하든 — 심지어 생성물만 넣고 거꾸로 시작하든 — 같은 온도라면 결국 이 값이 똑같아진다는 것입니다. 평형에서 각 물질의 농도는 제각각이지만, 이렇게 조합한 값 하나만은 반드시 같은 자리로 돌아옵니다.

왜 하필 이런 모양일까요? 깁스 자유 에너지와 자발성에서 배웠듯 반응은 자유 에너지가 낮아지는 쪽으로 갑니다. 반응이 진행될수록 반응물은 줄고 생성물은 늘어 더 갈 이유가 점점 사라지고, 자유 에너지가 가장 낮은 지점에서 멈춥니다. 그 지점의 농도비가 바로 $K$ 이고, $K$ 는 표준 자유 에너지 변화 $Δ G^{\circ}$ 와 $Δ G^{\circ} = - R T ln K$ 로 연결됩니다. $Δ G^{\circ}$ 가 온도의 함수이니, $K$ 를 바꾸는 것은 오직 온도뿐입니다.

한 가지 규칙이 더 있습니다. 순수한 고체와 순수한 액체는 $K$ 식에 넣지 않습니다. 이들의 '농도'는 양을 늘리거나 줄여도 변하지 않기 때문입니다. 예를 들어 석회석이 분해되는 $CaC O_{3} (s) ⇌ CaO (s) + C O_{2} (g)$ 의 평형 상수는 $K = [C O_{2}]$ 하나뿐입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

암모니아 합성의 평형 상수 식

$N_{2} (g) + 3 H_{2} (g) ⇌ 2 N H_{3} (g), K = \frac{[ N H _{3} ] ^{2}}{[ N _{2} ] [ H _{2} ] ^{3}}$

계수 $3$ 이 그대로 지수 $3$ 이 됩니다. 곱셈과 나눗셈만 있을 뿐 덧셈은 없다는 점을 기억하세요.
예시 2

$K$ 의 크기가 알려 주는 것

$K$ 가 $1 0^{10}$ 처럼 아주 크면 평형에서 생성물이 압도적으로 많다는 뜻이라 사실상 반응이 완결된 것으로 봐도 됩니다. 반대로 $K$ 가 $1 0^{- 10}$ 처럼 아주 작으면 반응물이 거의 그대로 남아 있어 '반응이 일어나지 않는다'고 말합니다. $K$ 가 $1$ 부근이면 반응물과 생성물이 비슷하게 섞여 있습니다.
예시 3

반응식을 뒤집거나 곱하면 $K$ 는 어떻게 되나

반응식을 반대로 쓰면 $K$ 는 역수( $1/ K$ )가 되고, 반응식 전체에 $2$ 를 곱하면 $K$ 는 제곱( $K^{2}$ )이 됩니다. $K$ 는 반응식의 모양에 따라 달라지므로, 문제에서 준 반응식과 내가 쓴 반응식이 같은지 항상 확인해야 합니다.

평형 상수 $K$와 반응 속도 상수 $k$는 다른 것입니다

구분	평형 상수 $K$	반응 속도 상수 $k$
알려 주는 것	반응이 어디까지 진행되는가(얼마나 많이)	반응이 얼마나 빨리 진행되는가
결정하는 요인	온도 (그리고 반응 자체의 $Δ G^{\circ}$ )	온도와 활성화 에너지
촉매를 넣으면	변하지 않음 — 평형에 빨리 도달할 뿐	커짐 — 반응이 빨라짐
농도를 바꾸면	변하지 않음	변하지 않음 (속도는 변함)

자주 하는 오해

K

가 크면 반응이 빨리 일어난다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움

K

가

1 0^{20}

이나 되니까 이 반응은 순식간에 끝나겠지

실제로는

K

는 '얼마나 많이' 가는지만 알려 줍니다. '얼마나 빨리'는 활성화 에너지가 정합니다.

다이아몬드가 흑연으로 변하는 반응은 평형 상수로 보면 흑연 쪽이 유리하지만, 활성화 에너지가 엄청나게 커서 실제로는 사실상 일어나지 않습니다. 얼마나 멀리 가느냐(열역학)와 얼마나 빨리 가느냐(반응 속도론)는 완전히 다른 질문입니다.

평형에서는 반응물과 생성물의 농도가 같아진다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움평형이니까 양쪽이 균형을 이뤄 농도가 같아진 상태

실제로는평형에서 같아지는 것은 정반응 속도와 역반응 속도이지, 농도가 아닙니다. 농도는 더 이상 '변하지 않을' 뿐, 서로 같을 이유가 없습니다.

K

가

1

이 아니면 평형 농도는 한쪽으로 크게 치우쳐 있습니다.

K = 1 0^{6}

인 반응의 평형은 생성물이 반응물보다 훨씬 많은 상태이고, 그래도 그것이 어엿한 평형입니다. 평형은 '반반'이 아니라 '변하지 않음'입니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

깁스 자유 에너지와 자발성고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

르샤틀리에 원리고2 반응 지수(Q)와 평형 예측고2 Kc와 Kp의 관계고2 용해도곱(Ksp)고3

연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요

해수의 염분고2

같은 단원의 개념 — 화학 평형

르샤틀리에 원리고2 반응 지수(Q)와 평형 예측고2 Kc와 Kp의 관계고2

자주 묻는 질문

Q1촉매를 넣으면

K

가 커지나요?

아닙니다. 촉매는 정반응과 역반응의 활성화 에너지를 똑같이 낮춰 양쪽 속도를 함께 올립니다. 그래서 평형에 더 빨리 도달할 뿐, 도착 지점인

K

는 그대로입니다.

K

를 바꾸는 것은 온도뿐입니다.

K

에는 단위가 있나요?

고등학교 수준에서는 보통 단위를 붙이지 않습니다. 엄밀하게는 각 농도를 기준 농도로 나눈 비율을 쓰기 때문에

K

는 단위 없는 수가 됩니다. 다만 계산할 때 농도는 반드시

mol/L

로 통일해서 넣어야 합니다.

Q3물이 용매인 수용액 반응에서 물의 농도는 왜 빼나요?

용매인 물은 양이 압도적으로 많아 반응이 조금 진행되어도 농도가 사실상 변하지 않습니다. 변하지 않는 값이므로 상수에 흡수시켜

K

식에서 뺍니다. 같은 이유로 순수한 고체와 순수한 액체도 넣지 않습니다.

교육과정 2022 개정 · 고2 화학 · 화학 평형 수록 기본 (교육과정 단원)

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

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$K$ 를 손에 넣었으니 이제 평형을 흔들어 볼 차례입니다. 르샤틀리에 원리에서 농도·압력·온도를 바꿨을 때 평형이 어느 쪽으로 움직이는지 확인하고, 반응 지수(Q)와 평형 예측으로 아직 평형이 아닌 상태의 진행 방향을 예측해 보세요.

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초3~고3 과학 646개 개념의 연결을 한 화면에서 탐색할 수 있습니다.

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