반응 지수(Q)와 평형 예측
임의의 조건에서 농도비로 계산한 반응 지수 Q. Q<K이면 정반응, Q>K이면 역반응, Q=K이면 평형 방향을 예측한다.
평형 상수와 똑같은 모양의 식에 '지금 이 순간'의 농도를 넣어 계산한 값이 반응 지수 이며, 를 와 비교하면 반응이 어느 쪽으로 진행될지 알 수 있습니다.
가 목적지 좌표라면 는 지금 내 위치입니다. 좌표를 비교해 보면 내가 목적지의 어느 쪽에 서 있는지, 따라서 어느 방향으로 걸어가야 하는지가 바로 나옵니다.
쉽게 말하면
화학 평형 상수(K)는 평형에 도달했을 때만 쓸 수 있는 값입니다. 그런데 실험을 시작하는 순간이나 중간에 물질을 더 넣은 직후처럼, 평형이 아닌 상태에서도 '이제 어느 쪽으로 갈까?'가 궁금합니다. 이때 쓰는 것이 반응 지수 입니다.
는 와 식의 모양이 완전히 같습니다. 다른 것은 넣는 숫자뿐입니다. 에는 평형 농도를 넣고, 에는 아무 때나의 현재 농도를 넣습니다.
비교는 직관적입니다. 면 분자(생성물)가 아직 모자란다는 뜻이니 생성물을 만드는 정반응이 우세하고, 면 생성물이 넘친다는 뜻이니 역반응이 우세합니다. 면 이미 평형이라 겉보기 변화가 없습니다.
이 도구가 있으면 르샤틀리에 원리를 외우지 않아도 됩니다. 반응물을 더 넣으면 의 분모가 커져 가 되고, 그래서 정반응 쪽으로 이동합니다 — '변화를 완화한다'는 말의 실제 계산이 바로 이것입니다.
이렇게 나타납니다
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예시 1를 계산해 방향 정하기어떤 온도에서 의 가 이라고 합시다. 용기에 세 기체를 넣었더니 를 계산한 값이 였다면 이므로 가 더 만들어지는 정반응 쪽으로 진행합니다. 반대로 가 이었다면 가 분해되는 역반응 쪽으로 진행합니다.
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예시 2반응물만 넣고 시작하면생성물이 하나도 없으니 의 분자가 이라 입니다. 가 아무리 작아도 보다는 크므로 이고, 반응은 반드시 정반응 쪽으로 출발합니다. 거꾸로 생성물만 넣고 시작하면 분모가 이라 가 무한대로 커져 반드시 역반응 쪽으로 출발합니다. 어느 쪽에서 시작하든 결국 같은 평형에 도착한다는 사실이 여기서 다시 확인됩니다.
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예시 3침전이 생길지 미리 아는 법두 용액을 섞었을 때 앙금이 생길지도 로 판단합니다. 섞은 직후의 이온 농도로 를 계산해 용해도곱(Ksp)과 비교하면 됩니다. 면 이온이 너무 많아 넘치므로 침전이 생기고, 면 더 녹을 여유가 있어 앙금이 생기지 않습니다.
$Q$와 $K$는 어떻게 다른가
| 구분 | 반응 지수 | 평형 상수 |
|---|---|---|
| 식의 모양 | 동일 | 동일 |
| 넣는 농도 | 지금 이 순간의 농도 (아무 때나) | 평형에서의 농도 (평형에서만) |
| 값 | 반응이 진행되며 계속 변함 | 온도가 같으면 일정 |
| 알려 주는 것 | 앞으로 어느 쪽으로 갈지 | 결국 어디에서 멈출지 |
자주 하는 오해
와 를 같은 것으로 취급하기
이렇게 생각하기 쉬움식이 똑같으니 나 나 결국 같은 값 아닌가
실제로는는 매 순간 값이 달라지는 '현재 위치'이고, 는 온도가 같으면 절대 변하지 않는 '도착지'입니다. 두 값이 같아지는 순간이 바로 평형입니다.
식이 같다는 사실 때문에 둘을 혼동하기 쉽지만, 넣는 숫자가 다릅니다. 반응이 진행되는 동안 는 계속 움직여 를 향해 다가가고, 도착하면 멈춥니다. 그래서 '가 가 된다'고는 말할 수 있어도 '가 변한다'고는 말할 수 없습니다 — 를 움직이는 것은 오직 온도입니다.
이면 그때부터 역반응'만' 일어난다고 생각하기
이렇게 생각하기 쉬움이니까 정반응은 멈추고 역반응으로 돌아선다
실제로는정반응과 역반응은 언제나 둘 다 일어나고 있습니다. 는 그중 역반응 속도가 정반응 속도보다 커서, 겉보기에 생성물이 줄어드는 쪽으로 보인다는 뜻입니다.
가역 반응에서 한쪽 반응이 완전히 꺼지는 일은 없습니다. 평형이 '동적'인 이유도 이것입니다 — 평형에서도 두 반응은 여전히 활발하게 일어나며, 속도가 같아 농도만 변하지 않을 뿐입니다. 와 의 비교는 두 속도 중 어느 쪽이 우세한지를 알려 주는 것이지, 한쪽 반응의 스위치를 끄는 것이 아닙니다.
선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요
이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다
없음 — 이 개념이 마지막입니다
같은 단원의 개념 — 화학 평형
자주 묻는 질문
Q1를 계산할 때도 순수한 고체와 액체는 빼나요?
네. 는 와 완전히 같은 식이므로 규칙도 그대로 따릅니다. 순수한 고체와 순수한 액체, 그리고 용매인 물은 식에 넣지 않습니다.
Q2로 반응이 얼마나 빨리 진행될지도 알 수 있나요?
알 수 없습니다. 와 의 비교는 오직 방향만 알려 줍니다. 가 에서 아무리 멀리 떨어져 있어도 활성화 에너지가 크면 반응은 아주 느리게 진행됩니다. 방향은 열역학이, 속도는 반응 속도론이 담당합니다.
Q3압력으로도 를 계산할 수 있나요?
네. 기체 반응에서 농도 대신 부분 압력을 넣어 를 계산한 뒤 와 비교하면 됩니다. 단, 는 와, 는 와 짝지어 비교해야 합니다. 서로 다른 자로 잰 값끼리 비교하면 안 됩니다.
교육과정 2022 개정 · 고2 화학 · 화학 평형
수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)
와 의 비교는 곧 '평형을 흔들면 어디로 가는가'의 계산판입니다. 르샤틀리에 원리를 다시 읽으며, 외웠던 규칙 하나하나를 의 변화로 설명해 보세요.
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