화학 고2 화학 평형

르샤틀리에 원리

Q: 고체를 더 넣으면 평형이 이동하나요?

순수한 고체는 아무리 넣어도 평형이 이동하지 않습니다. 고체의 '농도'는 양과 무관하게 일정해서 K 식에 아예 들어가지 않기 때문입니다. 단, 고체가 완전히 사라지면 평형 자체가 유지되지 않으므로 조금이라도 남아 있어야 합니다.

평형계에 가해진 변화(농도·온도·압력)를 완화하는 방향으로 평형이 이동한다는 원리이다.

평형에 있는 계에 농도·압력·온도 변화를 가하면, 그 변화를 줄이는 방향으로 평형이 이동해 새로운 평형에 도달한다는 원리입니다.

평형계는 눈치가 빠른 계입니다. 무언가를 밀어 넣으면 그것을 없애는 쪽으로, 빼내면 그것을 다시 만드는 쪽으로 슬쩍 움직여 충격을 흡수합니다. 다만 원래대로 되돌리지는 못하고 '일부만' 완화합니다.

쉽게 말하면

이 원리는 마법이 아니라 화학 평형 상수(K)의 자연스러운 결과입니다. 평형이란 농도들의 조합이 $K$ 라는 값에 딱 맞아떨어진 상태입니다. 여기에 반응물을 더 넣으면 분모가 커져 그 조합값이 $K$ 보다 작아지고, 계는 다시 $K$ 에 맞추려고 생성물을 만드는 방향(정반응)으로 움직입니다. '변화를 완화한다'는 말은 결국 ' $K$ 라는 원래 눈금으로 되돌아간다'는 뜻입니다.

압력도 같은 논리입니다. 부피를 줄여 압력을 높이면 모든 기체의 농도가 한꺼번에 커지는데, 이때 분자와 분모가 같은 배율로 커지지 않습니다. 기체 계수가 큰 쪽이 더 많이 영향을 받으므로, 계는 기체 몰수가 작은 쪽으로 이동해 압력을 덜어 냅니다. 양쪽 기체 몰수가 같다면 아무 일도 일어나지 않습니다.

온도만은 성격이 다릅니다. 농도나 압력을 바꾸는 것은 $K$ 를 건드리지 않고 평형만 이동시키지만, 온도는 $K$ 자체를 바꿉니다. 열을 반응식의 한 항처럼 보면 편합니다. 발열 반응 $A ⇌ B + 열$ 에서 온도를 올리는 것은 오른쪽에 열을 더 넣는 셈이니 역반응 쪽으로 이동하고, $K$ 는 작아집니다. 즉 온도를 올리면 평형은 항상 흡열 반응 쪽으로 갑니다.

촉매는 어떨까요? 촉매는 정반응과 역반응을 똑같이 빠르게 하므로 평형에 도달하는 시간만 줄일 뿐, 평형의 위치는 조금도 바꾸지 못합니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

이산화 질소와 사산화 이질소의 색 변화

$2 N O_{2} (g) ⇌ N_{2} O_{4} (g) (정반응은 발열)$

$N O_{2}$ 는 적갈색, $N_{2} O_{4}$ 는 무색입니다. 이 기체가 든 관을 찬물에 담그면 온도를 낮춘 셈이라 열을 내는 쪽(정반응)으로 이동해 색이 옅어지고, 뜨거운 물에 담그면 흡열 쪽(역반응)으로 이동해 색이 진해집니다. 눈으로 평형 이동을 보는 대표적인 실험입니다.
예시 2

암모니아 합성 공정의 타협

$N_{2} + 3 H_{2} ⇌ 2 N H_{3}$ 는 발열이고 기체 몰수가 $4$ 에서 $2$ 로 줄어듭니다. 르샤틀리에 원리대로라면 압력은 높이고 온도는 낮춰야 암모니아가 많이 생깁니다. 그런데 온도를 너무 낮추면 반응이 하염없이 느려집니다. 그래서 실제 공정은 높은 압력에 '적당히 높은' 온도와 촉매를 함께 씁니다 — 수득률과 속도 사이의 타협입니다.
예시 3

바다가 이산화 탄소를 흡수하는 이유

대기 중 $C O_{2}$ 가 늘면 $C O_{2} (g) ⇌ C O_{2} (a q)$ 평형이 바닷물에 녹는 쪽으로 이동합니다. 녹아 들어간 $C O_{2}$ 는 물과 반응해 수소 이온을 내놓아 바닷물을 조금씩 산성 쪽으로 밀어냅니다. 기후 변화와 해양 산성화가 평형 이동으로 이어져 있는 대목입니다. 반대로 탄산음료 뚜껑을 열면 압력이 낮아져 기체가 빠져나오는 쪽으로 평형이 이동해 거품이 올라옵니다.

무엇을 바꾸면 무엇이 변하는가

가한 변화	평형 이동 방향	$K$ 의 변화
반응물 농도 증가	정반응 쪽 (그 물질을 소모하는 쪽)	변하지 않음
부피 감소(압력 증가)	기체 몰수가 작은 쪽	변하지 않음
온도 증가	흡열 반응 쪽	변함
촉매 첨가	이동하지 않음	변하지 않음
부피 고정 상태에서 아르곤 첨가	이동하지 않음	변하지 않음

자주 하는 오해

평형이 이동하면

K

도 함께 변한다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움반응물을 더 넣었더니 정반응 쪽으로 이동했으니

K

가 커졌다

실제로는농도나 압력을 바꿔서 생긴 이동은

K

를 전혀 바꾸지 않습니다. 오히려

K

가 그대로이기 때문에 이동하는 것입니다.

K

를 바꾸는 것은 온도뿐입니다.

반응물을 넣으면 농도 조합값이

K

에서 잠시 벗어납니다. 계는 그 값을 다시

K

로 맞추기 위해 움직이는 것이므로, 새 평형에 도착하면

K

는 원래 값 그대로입니다. 반면 온도를 바꾸면 목표 눈금인

K

자체가 옮겨 갑니다.

압력을 높이면 언제나 정반응 쪽으로 간다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움압력을 높였으니 반응이 더 잘 진행되겠지

실제로는기체 몰수가 작은 쪽으로 이동합니다. 그 방향이 정반응일 수도, 역반응일 수도 있고, 양쪽 기체 몰수가 같으면 아예 이동하지 않습니다.

H_{2} (g) + I_{2} (g) ⇌ 2 HI (g)

는 양쪽 다 기체

2

몰이라 압력을 아무리 높여도 평형이 움직이지 않습니다. 또한 부피를 고정한 채 아르곤 같은 비활성 기체를 넣으면 전체 압력은 올라가지만 각 기체의 부분 압력과 농도는 그대로여서 평형은 미동도 하지 않습니다. '압력'이라는 말에 반사적으로 반응하지 말고, 각 기체의 농도가 실제로 변했는지를 보세요.