Hf가 낮을수록 안정한 물질인가요?

엔탈피 관점에서만 보면 그렇게 말할 수 있습니다. 하지만 실제 안정성은 엔트로피까지 포함한 G가 결정하고, 게다가 '분해되지 않고 오래 남아 있는가'는 활성화 에너지 문제입니다. Hf는 안정성을 가늠하는 좋은 첫 단서일 뿐 최종 판정은 아닙니다.

화학 고3 화학 변화의 자발성

표준 생성 엔탈피

Q: 표준 상태의 '표준'은 온도를 말하나요?

압력 1 atm(과 용액이라면 1 M)이 핵심이고, 표에 실린 값은 관례상 25에서의 것입니다. 즉 표준 상태 자체가 온도를 지정하는 것은 아니지만, 우리가 쓰는 표는 대부분 25 기준이라고 생각하면 됩니다.

표준 상태(25°C, 1 atm)에서 가장 안정한 홑원소 물질 1몰로부터 화합물 1몰을 생성할 때의 엔탈피 변화(ΔHf°). 헤스 법칙 계산의 기초 데이터.

표준 상태(

2 5^{\circ} C

, 1 atm)에서 가장 안정한 홑원소 물질들로부터 화합물 1몰이 만들어질 때의 엔탈피 변화

Δ H_{f}^{\circ}

입니다.

해발 고도를 잴 때 '해수면'을 0으로 정하듯, 열화학은 '홑원소 물질'을 0으로 정합니다. 표준 생성 엔탈피는 그 기준면으로부터 각 화합물이 얼마나 높거나 낮은지를 적어 둔 고도표입니다.

쉽게 말하면

엔탈피와 열화학의 절댓값은 알 수 없고 차이만 잴 수 있습니다. 그렇다면 세상 모든 반응의 $Δ H$ 를 일일이 실험해야 할까요. 그럴 필요가 없습니다. 기준점 하나를 약속으로 정해 두면 됩니다 — 모든 홑원소 물질의 표준 생성 엔탈피를 0으로 한다. $O_{2} (g)$ , $N_{2} (g)$ , $Fe (s)$ , 흑연 $C (s)$ 가 모두 0입니다.

이 기준면 위에서 각 화합물의 위치를 재어 표로 만든 것이 $Δ H_{f}^{\circ}$ 입니다. 예를 들어 $H_{2} O (l)$ 의 $Δ H_{f}^{\circ} = - 286 kJ/mol$ 은 '수소 기체와 산소 기체에서 물 1몰이 만들어질 때 $286 kJ$ 이 방출된다'는 뜻이고, 동시에 '물은 기준면보다 $286 kJ$ 아래에 있다'는 뜻입니다.

이 표가 있으면 헤스 법칙을 반응식마다 손으로 조립할 필요가 없습니다. 모든 반응은 '반응물을 홑원소로 분해했다가 다시 생성물로 조립하는' 경로를 거친다고 봐도 되므로, $Δ H = \sum n Δ H_{f}^{\circ} (생성물) - \sum n Δ H_{f}^{\circ} (반응물)$ 한 줄이면 끝납니다. 반응물 쪽에 마이너스가 붙는 것은 '기준면까지 되돌아가는' 단계이기 때문입니다.

주의할 것은 '가장 안정한'이라는 단서입니다. 탄소는 흑연이 기준이지 다이아몬드가 아니고, 산소는 $O_{2}$ 가 기준이지 오존 $O_{3}$ 가 아닙니다. 그래서 다이아몬드와 오존의 $Δ H_{f}^{\circ}$ 는 0이 아니라 양수입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

표준 생성 반응식은 어떻게 생겼나

$H_{2} (g) + \frac{1}{2} O_{2} (g) \to H_{2} O (l), Δ H_{f}^{\circ} = - 286 kJ/mol$

생성물이 반드시 '1몰'이어야 하므로 산소 계수가 분수 $\frac{1}{2}$ 가 되는 것이 정상입니다. 계수를 정수로 맞추려고 $2 H_{2} O$ 로 쓰면 그것은 더 이상 표준 생성 엔탈피의 정의에 맞지 않습니다.
예시 2

표만 보고 반응 엔탈피 계산하기

$Δ H = \sum n Δ H_{f}^{\circ} (생성물) - \sum n Δ H_{f}^{\circ} (반응물)$

$C H_{4} (g) + 2 O_{2} (g) \to C O_{2} (g) + 2 H_{2} O (l)$ 에서 $Δ H_{f}^{\circ}$ 가 $C H_{4} - 75$ , $C O_{2} - 394$ , $H_{2} O (l) - 286 kJ/mol$ 이고 $O_{2}$ 는 홑원소라 $0$ 입니다. 따라서 $Δ H = [(- 394) + 2 (- 286)] - [(- 75) + 2 (0)] \approx - 891 kJ$ 입니다.
예시 3

$Δ H_{f}^{\circ}$ 가 양수인 화합물도 있다

대부분의 안정한 화합물은 $Δ H_{f}^{\circ}$ 가 음수지만, 일산화 질소나 아세틸렌처럼 양수인 화합물도 있습니다. 이런 물질은 자기를 이루는 홑원소 물질보다 에너지가 높다는 뜻이라 분해될 때 오히려 열을 내놓습니다. 아세틸렌 용접 불꽃이 유난히 뜨거운 데는 이 사정이 한몫합니다.

순서대로 하면

$\Delta H_f^{\circ}$ 표로 반응 엔탈피를 구하는 순서

1반응식의 계수를 정확히 맞춥니다. 계수가 곧 곱할 몰수입니다.
2각 물질의 상태 $(s), (l), (g)$ 를 확인하고 그 상태의 $Δ H_{f}^{\circ}$ 값을 찾습니다 — $H_{2} O (l)$ 과 $H_{2} O (g)$ 는 값이 다릅니다.
3 $O_{2} (g)$ , $N_{2} (g)$ , 흑연 $C (s)$ , 금속 단체 등 홑원소 물질은 0으로 둡니다.
4생성물의 (계수 × $Δ H_{f}^{\circ}$ )를 모두 더하고, 반응물의 (계수 × $Δ H_{f}^{\circ}$ )를 모두 더해 뺍니다.
5'생성물 − 반응물' 순서를 지킵니다. 뒤집으면 부호가 반대가 됩니다.

자주 하는 오해

홑원소 물질의

Δ H_{f}^{\circ}

가 0인 이유를 '에너지가 없어서'라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움

O_{2}

는 에너지를 가지고 있지 않으므로

Δ H_{f}^{\circ} = 0

이다

실제로는0은 측정값이 아니라 약속한 기준점입니다.

O_{2}

도 당연히 에너지를 가지고 있습니다.

엔탈피는 절댓값을 알 수 없고 차이만 다룰 수 있으므로, 어딘가에 기준면을 그어야 합니다. 해발 고도의 0 m가 '높이가 없는 곳'이 아니라 '해수면'이듯, 여기서의 0도 위치의 약속입니다. 그래서 같은 원소라도 가장 안정한 형태가 아니면(오존, 다이아몬드) 0이 아닙니다.

생성 엔탈피는 항상 음수라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움화합물은 홑원소보다 안정하니까

Δ H_{f}^{\circ}

는 모두 음수다

실제로는일산화 질소, 아세틸렌처럼

Δ H_{f}^{\circ}

가 양수인 화합물이 있습니다.

Δ H_{f}^{\circ}

가 양수라는 것은 그 화합물이 자기 재료(홑원소 물질)보다 에너지가 높은 자리에 있다는 뜻입니다. 만들 때 열을 넣어 줘야 하고, 분해될 때 열을 내놓습니다. 게다가 '안정성'은 엔탈피만이 아니라 엔트로피와 활성화 에너지도 함께 봐야 하는 문제입니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

헤스 법칙고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

헤스 법칙고3

같은 단원의 개념 — 화학 변화의 자발성

결합 에너지(결합 엔탈피)고3 깁스 자유 에너지와 자발성고3 보른-하버 순환고3 에너지 다이어그램고3 엔탈피와 열화학고3 엔트로피고3 자발성과 열역학 제2법칙고3 헤스 법칙고3

자주 묻는 질문

Q1왜

H_{2} O (l)

과

H_{2} O (g)

의 값이 다른가요?

액체가 기체가 되려면 열을 흡수해야 하므로, 수증기는 액체 물보다 엔탈피가 높습니다. 두 값의 차이가 바로 물의 증발 엔탈피입니다. 그래서 연료의 연소열도 물이 액체로 나오느냐 수증기로 나오느냐에 따라 달라지며, 열화학 반응식에 상태 표기를 반드시 하는 이유가 여기 있습니다.

Q2표준 상태의 '표준'은 온도를 말하나요?

압력 1 atm(과 용액이라면 1 M)이 핵심이고, 표에 실린 값은 관례상

2 5^{\circ} C

에서의 것입니다. 즉 표준 상태 자체가 온도를 지정하는 것은 아니지만, 우리가 쓰는 표는 대부분

2 5^{\circ} C

기준이라고 생각하면 됩니다.

Δ H_{f}^{\circ}

가 낮을수록 안정한 물질인가요?

엔탈피 관점에서만 보면 그렇게 말할 수 있습니다. 하지만 실제 안정성은 엔트로피까지 포함한

Δ G

가 결정하고, 게다가 '분해되지 않고 오래 남아 있는가'는 활성화 에너지 문제입니다.

Δ H_{f}^{\circ}

는 안정성을 가늠하는 좋은 첫 단서일 뿐 최종 판정은 아닙니다.

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

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

오류 신고하기

이 표가 왜 통하는지의 근거가 헤스 법칙입니다. 아직 안 봤다면 그쪽부터 확인해 두면 계산이 공식이 아니라 그림으로 보입니다.

전체 연결 구조가 궁금하다면

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

표준 생성 엔탈피 지도에서 확인하기 →