종이를 여러 장 겹쳐 놓은 것과 같이 C 원자가 층상 구조로 배열된 물질이다.
주로 샤프심이나 연필심의 재료로 사용된다.
어떤 물질 1mol이 물질을 이루는 원소의 가장 안정한 상태로부터 생성될 때의 반응 엔탈피이다.
단위는 주로 kJ/mol을 사용한다.
원소별 가장 안정한 상태 예시:
- H: H2(g)
- C: C(s,흑연)
- N: N2(g)
- O: O2(g)
- F: F2(g)
다음은 25∘C에서 H2(g)와 O2(g)의 반응의 열화학 반응식이다. H2O(g)의 표준 생성 엔탈피를 구해보자.
$2\mathrm{H_{2}}(g)+\mathrm{O_{2}}(g)\rightarrow2\mathrm{H_{2}O}(g)\qquad\Delta H^{\circ}=-484\,\mathrm{kJ}$
생성 엔탈피는 어떤 물질 1mol이 물질을 이루는 원소의 가장 안정한 상태로부터 생성될 때의 반응 엔탈피이다.
H2O(g)를 이루는 원소는 H와 O이며, H와 O의 가장 안정한 상태는 각각 H2(g), O2(g)이다.
주어진 열화학 반응식은 H2O(g)를 이루는 원소의 가장 안정한 상태로부터 H2O(g) 2mol이 생성될 때 ΔH∘=−484kJ임을 나타내므로
H2O(g) 1mol이 생성될 때 엔탈피 변화량은 −484kJ÷2=−242kJ이다.
따라서 H2O(g)의 표준 생성 엔탈피는 −242kJ/mol이다.
기체 상태의 물질 1mol에서 두 원자 사이의 공유 결합을 끊어 기체 상태의 원자로 만드는 데 필요한 에너지이다.
기호로 D로 나타내고, 단위는 주로 kJ/mol을 사용한다.
결합 해리 에너지는 동일한 결합 차수, 동일한 원자 사이의 결합이더라도,
해당 결합 주위의 결합 구조가 다르면 화합물마다 약간의 차이가 있을 수 있다.
임의의 두 원자 A와 B 사이의 단일 결합, 이중 결합, 삼중 결합은 각각 A−B, A=B, A≡B로 간단히 나타낼 수 있다.
동일한 결합 차수, 동일한 원자 사이의 결합들의 결합 해리 에너지를 평균한 값이다.
기호로 Davg로 나타내고, 단위는 주로 kJ/mol을 사용한다.
공유 결합의 세기가 클수록 결합을 끊기 어려우므로 결합 에너지는 증가한다.
따라서 결합 에너지는 A−B<A=B<A≡B이다.
기체 상태의 화합물의 반응은 반응물의 결합을 끊어 원자 상태가 되고, 이 원자들이 새롭게 결합하여 생성물이 만들어진다고 볼 수 있다.
이때 반응물의 결합을 끊는 과정에서 반응물의 결합 에너지를 흡수하고,
생성물의 결합이 형성되는 과정에서 생성물의 결합 에너지가 방출된다.
따라서 기체 반응에서 반응 엔탈피는 아래와 같다.
$\Delta H=($반응물의 결합 에너지 총합$)-($생성물의 결합 에너지 총합$)$
다음은 25∘C에서 N2(g)와 H2(g)의 반응의 열화학 반응식과 5가지 결합의 결합 에너지이다. 자료로부터 구한 x는?
$\mathrm{N_{2}}(g)+3\mathrm{H_{2}}(g)\rightarrow2\mathrm{NH_{3}}(g)\qquad\Delta H^{\circ}=x\,\mathrm{kJ}$
1. 반응물의 결합 에너지 총합 구하기:
반응물인 N2와 H2의 루이스 구조를 그리면 아래 그림과 같다.
N2(g) 1mol의 결합 에너지는 N≡N 1mol에 해당하는 945kJ/mol×1mol=945kJ이고,
H2(g) 3mol의 결합 에너지는 H−H 3mol에 해당하는 436kJ/mol×3mol=1308kJ이다.
그러므로 반응물의 결합 에너지 총합은 945kJ+1308kJ=2253kJ이다.
2. 생성물의 결합 에너지 총합 구하기:
생성물인 NH3의 루이스 구조를 그리면 아래 그림과 같다.
NH3(g) 2mol의 결합 에너지는 N−H 6mol에 해당하는 391kJ/mol×6mol=2346kJ이다.
그러므로 생성물의 결합 에너지 총합은 2346kJ이다.
기체 반응에서 반응 엔탈피 ΔH=(반응물의 결합 에너지 총합)−(생성물의 결합 에너지 총합)에서
xkJ=2253kJ−2346kJ
x=−93이다.
정답: $2$
1. 반응물의 결합 에너지 총합 구하기:
반응물인 CH4와 O2의 루이스 구조를 그리면 아래 그림과 같다.
CH4(g) 1mol의 결합 에너지는 C−H 4mol에 해당하는 410kJ/mol×4mol=1640kJ이고,
O2(g) 2mol의 결합 에너지는 O=O 2mol에 해당하는 498kJ/mol×2mol=996kJ이다.
그러므로 반응물의 결합 에너지 총합은 1640kJ+996kJ=2636kJ이다.
2. 생성물의 결합 에너지 총합 구하기:
생성물인 CO2와 H2O의 루이스 구조를 그리면 아래 그림과 같다.
CO2(g) 1mol의 결합 에너지는 C=O 2mol에 해당하는 799kJ/mol×2mol=1598kJ이고,
H2O(g) 2mol의 결합 에너지는 O−H 4mol에 해당하는 463kJ/mol×4mol=1852kJ이다.
그러므로 생성물의 결합 에너지 총합은 1598kJ+1852kJ=3450kJ이다.
기체 반응에서 반응 엔탈피 ΔH=(반응물의 결합 에너지 총합)−(생성물의 결합 에너지 총합)에서
xkJ=2636kJ−3450kJ
x=−814이다.
따라서 답은 2번이다.
정답: $3$
1. 반응물의 결합 에너지 총합 구하기:
반응물인 NH3와 F2의 루이스 구조를 그리면 아래 그림과 같다.
N−H의 결합 에너지를 Davg(N−H)라 할 때,
NH3(g) 2mol의 결합 에너지는 N−H 6mol에 해당하는 6Davg(N−H)이고,
F2(g) 3mol의 결합 에너지는 F−F 3mol에 해당하는 159kJ/mol×3mol=477kJ이다.
그러므로 반응물의 결합 에너지 총합은 6Davg(N−H)+477kJ이다.
2. 생성물의 결합 에너지 총합 구하기:
생성물인 N2와 HF의 루이스 구조를 그리면 아래 그림과 같다.
N≡N의 결합 에너지를 Davg(N≡N)라 할 때,
N2(g) 1mol의 결합 에너지는 N≡N 1mol에 해당하는 Davg(N≡N)이고,
HF(g) 6mol의 결합 에너지는 F−H 6mol에 해당하는 565kJ/mol×6mol=3390kJ이다.
그러므로 생성물의 결합 에너지 총합은 Davg(N≡N)+3390kJ이다.
기체 반응에서 반응 엔탈피 ΔH=(반응물의 결합 에너지 총합)−(생성물의 결합 에너지 총합)에서
−1513kJ=6Davg(N−H)+477kJ−(Davg(N≡N)+3390kJ),
1400kJ=6Davg(N−H)−Davg(N≡N)⋯①이다.
생성 엔탈피는 어떤 물질 1mol이 물질을 이루는 원소의 가장 안정한 상태로부터 생성될 때의 반응 엔탈피이다.
N과 H의 가장 안정한 상태는 각각 N2(g), H2(g)이므로 NH3(g)의 생성 엔탈피는 아래 열화학 반응식에서 21x에 해당한다.
$\mathrm{N_{2}}(g)+3\mathrm{H_{2}}(g)\rightarrow2\mathrm{NH_{3}}(g)\qquad\Delta H^{\circ}=x$
이제 이 반응식에서 반응물과 생성물의 결합 에너지를 통해 x를 구해 보자.
1. 반응물의 결합 에너지 총합 구하기:
반응물인 N2와 H2의 루이스 구조를 그리면 아래 그림과 같다.
N2(g) 1mol의 결합 에너지는 N≡N 1mol에 해당하는 Davg(N≡N)이고,
H2(g) 3mol의 결합 에너지는 H−H 3mol에 해당하는 436kJ/mol×3mol=1308kJ이다.
그러므로 반응물의 결합 에너지 총합은 Davg(N≡N)+1308kJ이다.
2. 생성물의 결합 에너지 총합 구하기:
생성물인 NH3의 루이스 구조를 그리면 아래 그림과 같다.
NH3(g) 2mol의 결합 에너지는 N−H 6mol에 해당하는 6Davg(N−H)이다.
그러므로 생성물의 결합 에너지 총합은 6Davg(N−H)이다.
기체 반응에서 반응 엔탈피 ΔH=(반응물의 결합 에너지 총합)−(생성물의 결합 에너지 총합)에서
xkJ=Davg(N≡N)+1308kJ−6Davg(N−H),
−xkJ+1308kJ=6Davg(N−H)−Davg(N≡N)이다.
이를 ①에 넣으면
1400kJ=6Davg(N−H)−Davg(N≡N)⋯①에서
1400kJ=−xkJ+1308kJ,
x=−92이다.
그러므로 NH3의 생성 엔탈피는 21x=21×(−92)=−46(kJ/mol)이다.
따라서 답은 3번이다.
