G와 G는 어떻게 다른가요?

G는 모든 물질이 표준 상태(1 M, 1 atm)에 있을 때의 값으로, 물질의 성질처럼 표에 실린 고정된 수입니다. 반면 G는 지금 이 순간의 농도에서의 값이라 반응이 진행되면서 계속 변하고, 평형에 이르면 0이 됩니다. G가 양수여도 농도 조건에 따라 G는 음수가 될 수 있습니다.

H와 S의 단위가 다른데 그냥 빼도 되나요?

안 됩니다. H는 보통 kJ/mol, S는 J/(mol· K)로 주어집니다. 계산 전에 반드시 단위를 맞춰야 하며, 대개 S를 1000으로 나눠 kJ 단위로 바꿉니다. 이걸 놓치면 결과가 1000배 어긋납니다.

화학 고3 화학 변화의 자발성 심화

깁스 자유 에너지와 자발성

Q: '자유' 에너지라는 이름은 무슨 뜻인가요?

반응이 내놓는 에너지가 전부 유용한 일로 쓰이지는 않습니다. 일정 온도에서 T S만큼은 열로 흩어질 수밖에 없고, 그 몫을 뺀 나머지가 실제로 '쓸 수 있는(free)' 에너지입니다. 그래서 | G|는 그 반응에서 뽑아낼 수 있는 일의 최대치를 뜻합니다.

ΔG=ΔH-TΔS 로 화학 반응의 자발성 여부를 판단하는 열역학 함수이다. 진로선택 「물질과 에너지」 소속.

일정한 온도와 압력에서 반응의 자발성을 판정하는 열역학 함수로,

Δ G = Δ H - T Δ S

가 음수이면 정반응이 자발적입니다.

Δ H

는 '에너지를 낮추려는 힘',

T Δ S

는 '흩어지려는 힘'입니다. 깁스 자유 에너지는 이 두 힘의 줄다리기 결과를 한 숫자로 알려 주는 심판이고, 온도

T

는 흩어지려는 쪽에 실리는 무게추입니다.

쉽게 말하면

$Δ G$ 는 하늘에서 떨어진 식이 아닙니다. 자발성과 열역학 제2법칙이 요구하는 것은 $Δ S_{계} + Δ S_{주위} > 0$ 인데, 주위의 몫이 $- Δ H / T$ 이므로 양변에 $- T$ 를 곱해 정리하면 $Δ H - T Δ S < 0$ 이 나옵니다. 이 왼쪽 덩어리에 이름을 붙인 것이 깁스 자유 에너지입니다. 즉 $Δ G$ 의 가치는 주위를 계산하지 않고 계의 값만으로 우주 전체의 판정을 대신할 수 있다는 데 있습니다.

식을 읽는 요령은 온도를 무게추로 보는 것입니다. 온도가 낮으면 $T Δ S$ 항이 작아져 엔탈피와 열화학가 승부를 결정하고(발열 반응이 유리), 온도가 높으면 $T Δ S$ 항이 커져 엔트로피가 승부를 결정합니다(기체가 늘어나는 반응이 유리). 그래서 어떤 반응은 특정 온도를 경계로 자발성이 뒤집힙니다.

$Δ G$ 가 알려 주는 또 하나는 '얼마나 일을 뽑아낼 수 있는가'입니다. 이름의 '자유(free)'가 그 뜻입니다 — 반응이 내놓은 에너지 중 열로 흩어질 수밖에 없는 몫( $T Δ S$ )을 빼고, 실제로 유용한 일에 쓸 수 있는 최대치가 $∣Δ G ∣$ 입니다. 생물이 ATP의 $Δ G < 0$ 인 가수분해를 $Δ G > 0$ 인 반응에 붙여 몸을 만드는 물질대사가 이 원리로 굴러갑니다.

마지막으로 $Δ G = 0$ 은 '아무 일도 안 일어남'이 아니라 평형입니다. 정반응과 역반응의 추진력이 같아진 상태이고, 여기서 $Δ G^{\circ} = - R T ln K$ 라는 다리를 건너 화학 평형 상수(K)로 이어집니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

얼음이 녹는 온도를 $Δ G$ 로 설명하기

$Δ G = Δ H - T Δ S = 0 ⟹ T = \frac{Δ H}{Δ S}$

얼음의 융해는 $Δ H \approx + 6.0 kJ/mol$ , $Δ S \approx + 22 J/ (mol \cdot K)$ 입니다. $T = 6000/22 \approx 273 K$ , 즉 $0^{\circ} C$ 에서 $Δ G = 0$ 이 됩니다. 이보다 높으면 $Δ G < 0$ 이 되어 녹고, 낮으면 $Δ G > 0$ 이 되어 얼음이 그대로 있습니다. 녹는점의 정체가 바로 '자발성이 뒤집히는 온도'입니다.
예시 2

$Δ H$ 와 $Δ S$ 의 부호 조합 네 가지

$Δ H < 0, Δ S > 0$ 이면 온도와 무관하게 항상 자발적입니다. $Δ H > 0, Δ S < 0$ 이면 어떤 온도에서도 비자발적입니다. 나머지 두 경우는 온도가 결정합니다 — 둘 다 음수면 저온에서, 둘 다 양수면 고온에서 자발적입니다. 문제에서 '어떤 온도에서 자발적인가'를 물으면 이 표를 떠올리면 됩니다.
예시 3

석회석의 열분해

$CaC O_{3} (s) \to CaO (s) + C O_{2} (g)$

이 반응은 흡열( $Δ H > 0$ )이면서 기체가 생겨 엔트로피가 늘어납니다( $Δ S > 0$ ). 그래서 상온에서는 석회석이 멀쩡하지만, 가마에서 온도를 충분히 높이면 $T Δ S$ 가 $Δ H$ 를 이겨 $Δ G < 0$ 이 되고 분해가 진행됩니다. 시멘트 제조가 고온을 필요로 하는 이유입니다.

$\Delta H$와 $\Delta S$의 부호에 따른 자발성

$Δ H$	$Δ S$	자발성
$-$ (발열)	$+$ (증가)	모든 온도에서 자발적
$+$ (흡열)	$-$ (감소)	모든 온도에서 비자발적
$-$ (발열)	$-$ (감소)	낮은 온도에서 자발적
$+$ (흡열)	$+$ (증가)	높은 온도에서 자발적

자주 하는 오해

Δ G < 0

이면 반응이 빨리 일어난다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움

Δ G

가 크게 음수니까 반응이 격렬하고 빠를 것이다

실제로는

Δ G

는 방향만 정합니다. 속도는 활성화 에너지가 정합니다.

Δ G

는 출발점과 도착점의 높이 차이일 뿐, 그 사이에 놓인 봉우리의 높이는 전혀 말해 주지 않습니다. 다이아몬드가 흑연으로 가는 반응은

Δ G < 0

이지만 봉우리가 너무 높아 사실상 멈춰 있습니다. 열역학과 반응 속도론은 서로 다른 질문에 답합니다.

Δ G = 0

을 '반응이 멈춘 상태'로 읽기

이렇게 생각하기 쉬움

Δ G = 0

이면 아무 반응도 일어나지 않는다

실제로는

Δ G = 0

은 평형입니다. 정반응과 역반응이 같은 속도로 계속 일어나고 있습니다.

겉보기 농도가 변하지 않을 뿐, 분자 수준에서는 양방향 반응이 쉬지 않고 진행됩니다. 어느 쪽으로도 더 갈 이유가 없어진 상태가

Δ G = 0

이고, 이것이 화학 평형 상수

K

와 연결되는 지점입니다. '정지'가 아니라 '균형'입니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

엔탈피와 열화학고3 엔트로피고3 자발성과 열역학 제2법칙고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

화학 평형 상수(K)고2

연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요

물질대사고3 엔트로피고3 ATP고3

같은 단원의 개념 — 화학 변화의 자발성

결합 에너지(결합 엔탈피)고3 보른-하버 순환고3 에너지 다이어그램고3 엔탈피와 열화학고3 엔트로피고3 자발성과 열역학 제2법칙고3 표준 생성 엔탈피고3 헤스 법칙고3

자주 묻는 질문

Δ G

와

Δ G^{\circ}

는 어떻게 다른가요?

Δ G^{\circ}

는 모든 물질이 표준 상태(1 M, 1 atm)에 있을 때의 값으로, 물질의 성질처럼 표에 실린 고정된 수입니다. 반면

Δ G

는 지금 이 순간의 농도에서의 값이라 반응이 진행되면서 계속 변하고, 평형에 이르면 0이 됩니다.

Δ G^{\circ}

가 양수여도 농도 조건에 따라

Δ G

는 음수가 될 수 있습니다.

Δ H

와

Δ S

의 단위가 다른데 그냥 빼도 되나요?

안 됩니다.

Δ H

는 보통

kJ/mol

Δ S

는

J/ (mol \cdot K)

로 주어집니다. 계산 전에 반드시 단위를 맞춰야 하며, 대개

Δ S

를 1000으로 나눠

kJ

단위로 바꿉니다. 이걸 놓치면 결과가 1000배 어긋납니다.

Q3'자유' 에너지라는 이름은 무슨 뜻인가요?

반응이 내놓는 에너지가 전부 유용한 일로 쓰이지는 않습니다. 일정 온도에서

T Δ S

만큼은 열로 흩어질 수밖에 없고, 그 몫을 뺀 나머지가 실제로 '쓸 수 있는(free)' 에너지입니다. 그래서

∣Δ G ∣

는 그 반응에서 뽑아낼 수 있는 일의 최대치를 뜻합니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 화학 · 화학 변화의 자발성 수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)

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

오류 신고하기

$Δ G^{\circ} = - R T ln K$ 라는 다리를 건너면 자발성이 곧바로 평형의 위치가 됩니다. 화학 평형 상수(K)로 이어서 보세요.

전체 연결 구조가 궁금하다면

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

깁스 자유 에너지와 자발성 지도에서 확인하기 →