본문내용
1. 서론
화학 반응은 물질이 변화하는 과정에서 열의 출입을 수반한다. 이때 출입되는 열의 양은 반응의 종류와 양상에 따라 매우 다양하게 나타난다. 이러한 열의 출입을 정량적으로 측정하고 분석하는 것이 열화학 실험의 주된 목적이다. 열화학 실험에서는 화학 반응에 따른 엔탈피 변화를 정확히 측정하고자 한다. 엔탈피는 화학 반응에서 중요한 개념 중 하나로, 상태함수의 성질을 가지므로 반응 경로와 무관하게 반응 전후의 상태만으로 그 변화량이 결정된다. 이를 헤스의 법칙이라 하며, 이를 실험적으로 확인하는 것이 본 실험의 주요 목적이다. 나아가 열량계를 활용하여 반응열을 측정하고, 이를 통해 물질의 열용량, 반응열, 생성열 등을 구하고자 한다. 이를 통해 화학 반응에서의 열 출입 현상을 보다 심도 있게 이해할 수 있을 것이다.
2. 엔탈피 측정의 원리
2.1. 열역학과 엔탈피
열역학은 에너지와 그 상호변환을 다루는 학문이며, 화학적 변화에 초점을 맞춘 경우 이를 열화학이라고 한다. 많은 물리적, 화학적 변화 과정에서 열의 이동이 수반되는데, 여기서 계란 화학 반응이 일어날 때의 반응물과 생성물을 포함한 물질을 의미하고, 주위란 계를 제외한 모든 부분을 말한다. 계와 주위 사이의 물질 및 에너지 교환 여부에 따라 고립계, 닫힌계, 열린계로 구분된다.
상태함수는 현재 상태에 의해서만 그 값이 결정되는 계의 특성으로, 과거 상태나 변화 경로와 무관하다. 반면 경로함수는 계가 특정 상태에 도달하기까지의 경로에 따라 그 값이 달라진다. 열역학 제1법칙은 에너지 보존 법칙으로, 에너지는 전환될 수 있으나 만들어지거나 파괴될 수 없음을 의미한다.
기체 계의 경우, 내부에너지(E), 압력(P), 부피(V)가 상태함수이며, 이를 결합하여 새로운 상태함수인 엔탈피(H)를 정의할 수 있다. 엔탈피는 일정 압력하에서 일어나는 과정에서의 열흐름을 논의할 때 유용하며, 엔탈피 변화(ΔH)는 열의 형태로 전달되는 에너지 변화와 같다. 생성엔탈피, 분해엔탈피, 연소엔탈피, 용해엔탈피, 중화엔탈피 등 다양한 종류의 엔탈피가 있다.
정압 변화와 정적 변화에 따라 엔탈피 변화량이 달라질 수 있는데, 표준 생성엔탈피는 온도와 압력을 25°C, 1기압으로 표준 상태에서 측정한 값이다. 엔탈피는 상태함수이므로 반응 경로와 무관하게 동일한데, 이를 헤스의 법칙이라 한다. 즉, 특정 물질을 여러 단계를 거쳐 합성하더라도 총 엔탈피 변화는 동일하다. 이를 통해 직접 측정이 어려운 반응열도 다른 반응의 조합으로 구할 수 있다.
2.2. 상태함수와 경로함수
상태함수는 현재 상태에 의해서만 그 값이 결정되는 계의 특성을 나타낸다. 과거에 계가 어떤 상태에 있었는지, 또는 어떠한 경로를 통해 현재 상태에 이르게 되었는지에 관계없이 현재 상태의 특성에 따라 결정되는 값이다. 즉, 한 상태에서 다른 상태로 변화하였을 때, 상태 함수의 변화량은 변화 경로에 관계없이 처음 상태와 마지막 상태에 의해서만 결정된다. 예를 들어 산을 탈 때 고도의 변화는 경로에 상관없이 끝의 고도에서 처음 고도를 빼면 나오지만 여행 거리는 어떤 경로를 택했는지에 따라 다르다. 따라서 고도는 상태함수라 표현할 수 있고, 거리는 상태함수가 아니다.
경로함수의 값은 어떤 계가 그 상태에 도달하기까지 거쳐온 경로에 따라 달라진다. 대표적인 예로는 일, 열 등이 있다. 화학반응에서 반응열은 상태함수이므로 반응의 시작과 끝 상태만으로 결정되며, 도중의 경로에 관계하지 않는다. 이를 헤스의 법칙이라고 하며, 실제 일어나지 않는 반응에 대해서도 관여하는 에너지를 계산할 수 있게 해준다. 또한 반응열을 직접 측정하기 어려운 경우라도 다른 화학반응식의 조합을 통해 그 값을 구할 수 있다.
결과적으로 상태함수는 계의 현재 상태에만 의존하며 그 상태에 도달하는 과정에 관계없이 결정되는 물리량인 반면, 경로함수는 계가 그 상태에 도달하기까지의 과정에 따라 달라지는 물리량이다. 이러한 상태함수와 경로함수의 차이로 인해 열역학 법칙 등이 성립할 수 있게 되는 것이다.
2.3. 헤스의 법...
...
1
2
3
4
5
6
7
8