해당 지식
원소의 가장 안정한 상태에서 물질이 생성될 때의 반응 엔탈피와 결합 해리 에너지, 결합 에너지를 통해 반응 엔탈피를 구하는 방법을 설명합니다.
하위 지식	상위 지식

생성 엔탈피

¶ 지식 정보

해당 지식
원소의 가장 안정한 상태에서 물질이 생성될 때의 반응 엔탈피와 결합 해리 에너지, 결합 에너지를 통해 반응 엔탈피를 구하는 방법을 설명합니다.
하위 지식	상위 지식

¶ 흑연

종이를 여러 장 겹쳐 놓은 것과 같이 $\mathrm{C}$ 원자가 층상 구조로 배열된 물질이다.
주로 샤프심이나 연필심의 재료로 사용된다.

¶ 생성 엔탈피

어떤 물질 $1\,\mathrm{mol}$ 이 물질을 이루는 원소의 가장 안정한 상태로부터 생성될 때의 반응 엔탈피이다.
단위는 주로 $\mathrm{kJ/mol}$ 을 사용한다.

원소별 가장 안정한 상태 예시:

$\mathrm{H}$ : $\mathrm{H_{2}}(g)$
$\mathrm{C}$ : $\mathrm{C}(s,$ 흑연 $)$
$\mathrm{N}$ : $\mathrm{N_{2}}(g)$
$\mathrm{O}$ : $\mathrm{O_{2}}(g)$
$\mathrm{F}$ : $\mathrm{F_{2}}(g)$

¶ 생성 엔탈피 예시

다음은 $25\,^{\circ}\mathrm{C}$ 에서 $\mathrm{H_{2}}(g)$ 와 $\mathrm{O_{2}}(g)$ 가 반응하는 열화학 반응식이다. $\mathrm{H_{2}O}(g)$ 의 생성 엔탈피를 구해 보자.

$2\mathrm{H_{2}}(g) + \mathrm{O_{2}}(g) \rightarrow 2\mathrm{H_{2}O}(g)\qquad\Delta H^{\circ} = -484\,\mathrm{kJ}$

생성 엔탈피는 어떤 물질 $1\,\mathrm{mol}$ 이 물질을 이루는 원소의 가장 안정한 상태로부터 생성될 때의 반응 엔탈피이다.

$\mathrm{H_{2}O}(g)$ 를 이루는 원소는 $\mathrm{H}$ 와 $\mathrm{O}$ 이며, $\mathrm{H}$ 와 $\mathrm{O}$ 의 가장 안정한 상태는 각각 $\mathrm{H_{2}}(g)$ , $\mathrm{O_{2}}(g)$ 이다.

주어진 열화학 반응식은 $\mathrm{H_{2}O}(g)$ 를 이루는 원소의 가장 안정한 상태로부터 $\mathrm{H_{2}O}(g)$ $2\,\mathrm{mol}$ 이 생성될 때 $\Delta H^{\circ} = -484\,\mathrm{kJ}$ 임을 나타내므로
$\mathrm{H_{2}O}(g)$ $1\,\mathrm{mol}$ 이 생성될 때 엔탈피 변화량은 $-484\,\mathrm{kJ} \div 2 = -242\,\mathrm{kJ}$ 이다.

따라서 $\mathrm{H_{2}O}(g)$ 의 생성 엔탈피는 $-242\,\mathrm{kJ/mol}$ 이다.

¶ 결합 해리 에너지

기체 상태의 물질 $1\,\mathrm{mol}$ 에서 두 원자 사이의 공유 결합을 끊어 기체 상태의 원자로 만드는 데 필요한 에너지이다.
기호로 $D$ 로 나타내고, 단위는 주로 $\mathrm{kJ/mol}$ 을 사용한다.

동일한 결합 차수, 동일한 원자 사이의 결합이더라도, 결합 구조가 다르면 결합 해리 에너지는 화합물마다 약간의 차이가 있을 수 있다.

¶ 결합을 간단히 나타내는 방법

임의의 두 원자 $\mathrm{A}$ 와 $\mathrm{B}$ 사이의 단일 결합, 이중 결합, 삼중 결합은 각각 $\mathrm{A} - \mathrm{B}$ , $\mathrm{A} = \mathrm{B}$ , $\mathrm{A}\equiv\mathrm{B}$ 로 간단히 나타낼 수 있다.

¶ 결합 에너지

동일한 결합 차수, 동일한 원자 사이의 결합들의 결합 해리 에너지를 평균한 값이다.
기호로 $D_{\mathrm{avg}}$ 로 나타내고, 단위는 주로 $\mathrm{kJ/mol}$ 을 사용한다.

공유 결합의 세기가 클수록 결합을 끊기 어려우므로 결합 에너지는 증가한다.
따라서 결합 에너지는 $D_{\mathrm{avg}}(\mathrm{A} - \mathrm{B}) < D_{\mathrm{avg}}(\mathrm{A} = \mathrm{B}) < D_{\mathrm{avg}}(\mathrm{A}\equiv\mathrm{B})$ 이다.

¶ 결합 에너지를 통해 반응 엔탈피 구하기

기체 상태의 물질의 반응은 반응물의 결합을 끊어 원자 상태가 되고, 이 원자들이 새롭게 결합하여 생성물이 만들어진다고 볼 수 있다.
이때 반응물의 결합을 끊는 과정에서 반응물의 결합 에너지가 흡수되고,
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$)$

¶ 결합 에너지를 통해 반응 엔탈피 구하기 예시

다음은 $25\,^{\circ}\mathrm{C}$ 에서 $\mathrm{N_{2}}(g)$ 와 $\mathrm{H_{2}}(g)$ 가 반응하는 열화학 반응식과 $5$ 가지 결합의 결합 에너지이다. 자료로부터 $x$ 를 구해 보자.

$\mathrm{N_{2}}(g) + 3\mathrm{H_{2}}(g) \rightarrow 2\mathrm{NH_{3}}(g)\qquad\Delta H^{\circ} = x\,\mathrm{kJ}$

결합	$\mathrm{N}\equiv\mathrm{N}$	$\mathrm{N} = \mathrm{N}$	$\mathrm{N} - \mathrm{N}$	$\mathrm{N} - \mathrm{H}$	$\mathrm{H} - \mathrm{H}$
결합 에너지$(\mathrm{kJ/mol})$	$945$	$418$	$160$	$391$	$436$

$1.$ 반응물의 결합 에너지 총합 구하기:

반응물인 $\mathrm{N_{2}}$ 와 $\mathrm{H_{2}}$ 의 루이스 구조를 그리면 아래 그림과 같다.

$\mathrm{N_{2}}(g)$ $1\,\mathrm{mol}$ 의 결합 에너지는 $\mathrm{N}\equiv\mathrm{N}$ $1\,\mathrm{mol}$ 에 해당하는 $945\,\mathrm{kJ/mol} \times 1\,\mathrm{mol} = 945\,\mathrm{kJ}$ 이고,
$\mathrm{H_{2}}(g)$ $3\,\mathrm{mol}$ 의 결합 에너지는 $\mathrm{H} - \mathrm{H}$ $3\,\mathrm{mol}$ 에 해당하는 $436\,\mathrm{kJ/mol} \times 3\,\mathrm{mol} = 1308\,\mathrm{kJ}$ 이다.

그러므로 반응물의 결합 에너지 총합은 $945\,\mathrm{kJ} + 1308\,\mathrm{kJ} = 2253\,\mathrm{kJ}$ 이다.

$2.$ 생성물의 결합 에너지 총합 구하기:

생성물인 $\mathrm{NH_{3}}$ 의 루이스 구조를 그리면 아래 그림과 같다.

$\mathrm{NH_{3}}(g)$ $2\,\mathrm{mol}$ 의 결합 에너지는 $\mathrm{N} - \mathrm{H}$ $6\,\mathrm{mol}$ 에 해당하는 $391\,\mathrm{kJ/mol} \times 6\,\mathrm{mol} = 2346\,\mathrm{kJ}$ 이다.

그러므로 생성물의 결합 에너지 총합은 $2346\,\mathrm{kJ}$ 이다.

기체 반응에서 반응 엔탈피 $\Delta H = ($ 반응물의 결합 에너지 총합 $) - ($ 생성물의 결합 에너지 총합 $)$ 에서
$x\,\mathrm{kJ} = 2253\,\mathrm{kJ} - 2346\,\mathrm{kJ}$ ,
$x = - 93$ 이다.

¶ 적용 문항

¶ 1번 문항

메테인 완전 연소 반응과 결합 에너지 표로 반응 엔탈피를 구하는 화학 문항

1번 문항 정답 및 해설 보기

정답: $2$

$1.$ 반응물의 결합 에너지 총합 구하기:

반응물인 $\mathrm{CH_{4}}$ 와 $\mathrm{O_{2}}$ 의 루이스 구조를 그리면 아래 그림과 같다.

$\mathrm{CH_{4}}(g)$ $1\,\mathrm{mol}$ 의 결합 에너지는 $\mathrm{C} - \mathrm{H}$ $4\,\mathrm{mol}$ 에 해당하는 $410\,\mathrm{kJ/mol} \times 4\,\mathrm{mol} = 1640\,\mathrm{kJ}$ 이고,
$\mathrm{O_{2}}(g)$ $2\,\mathrm{mol}$ 의 결합 에너지는 $\mathrm{O} = \mathrm{O}$ $2\,\mathrm{mol}$ 에 해당하는 $498\,\mathrm{kJ/mol} \times 2\,\mathrm{mol} = 996\,\mathrm{kJ}$ 이다.

그러므로 반응물의 결합 에너지 총합은 $1640\,\mathrm{kJ} + 996\,\mathrm{kJ} = 2636\,\mathrm{kJ}$ 이다.

$2.$ 생성물의 결합 에너지 총합 구하기:

생성물인 $\mathrm{CO_{2}}$ 와 $\mathrm{H_{2}O}$ 의 루이스 구조를 그리면 아래 그림과 같다.

$\mathrm{CO_{2}}(g)$ $1\,\mathrm{mol}$ 의 결합 에너지는 $\mathrm{C} = \mathrm{O}$ $2\,\mathrm{mol}$ 에 해당하는 $799\,\mathrm{kJ/mol} \times 2\,\mathrm{mol} = 1598\,\mathrm{kJ}$ 이고,
$\mathrm{H_{2}O}(g)$ $2\,\mathrm{mol}$ 의 결합 에너지는 $\mathrm{O} - \mathrm{H}$ $4\,\mathrm{mol}$ 에 해당하는 $463\,\mathrm{kJ/mol} \times 4\,\mathrm{mol} = 1852\,\mathrm{kJ}$ 이다.

그러므로 생성물의 결합 에너지 총합은 $1598\,\mathrm{kJ} + 1852\,\mathrm{kJ} = 3450\,\mathrm{kJ}$ 이다.

기체 반응에서 반응 엔탈피 $\Delta H = ($ 반응물의 결합 에너지 총합 $) - ($ 생성물의 결합 에너지 총합 $)$ 에서
$x\,\mathrm{kJ} = 2636\,\mathrm{kJ} - 3450\,\mathrm{kJ}$ ,
$x = - 814$ 이다.

따라서 답은 $2$ 번이다.

¶ 2번 문항

2번 문항 정답 및 해설 보기

정답: $3$

$1.$ 반응물의 결합 에너지 총합 구하기:

반응물인 $\mathrm{NH_{3}}$ 와 $\mathrm{F_{2}}$ 의 루이스 구조를 그리면 아래 그림과 같다.

$\mathrm{N} - \mathrm{H}$ 의 결합 에너지를 $D_{\mathrm{avg}}(\mathrm{N} - \mathrm{H})$ 라 할 때,
$\mathrm{NH_{3}}(g)$ $2\,\mathrm{mol}$ 의 결합 에너지는 $\mathrm{N} - \mathrm{H}$ $6\,\mathrm{mol}$ 에 해당하는 $6D_{\mathrm{avg}}(\mathrm{N} - \mathrm{H})$ 이고,
$\mathrm{F_{2}}(g)$ $3\,\mathrm{mol}$ 의 결합 에너지는 $\mathrm{F} - \mathrm{F}$ $3\,\mathrm{mol}$ 에 해당하는 $159\,\mathrm{kJ/mol} \times 3\,\mathrm{mol} = 477\,\mathrm{kJ}$ 이다.

그러므로 반응물의 결합 에너지 총합은 $6D_{\mathrm{avg}}(\mathrm{N} - \mathrm{H}) + 477\,\mathrm{kJ}$ 이다.

$2.$ 생성물의 결합 에너지 총합 구하기:

생성물인 $\mathrm{N_{2}}$ 와 $\mathrm{HF}$ 의 루이스 구조를 그리면 아래 그림과 같다.

$\mathrm{N}\equiv\mathrm{N}$ 의 결합 에너지를 $D_{\mathrm{avg}}(\mathrm{N}\equiv\mathrm{N})$ 라 할 때,
$\mathrm{N_{2}}(g)$ $1\,\mathrm{mol}$ 의 결합 에너지는 $\mathrm{N}\equiv\mathrm{N}$ $1\,\mathrm{mol}$ 에 해당하는 $D_{\mathrm{avg}}(\mathrm{N}\equiv\mathrm{N})$ 이고,
$\mathrm{HF}(g)$ $6\,\mathrm{mol}$ 의 결합 에너지는 $\mathrm{F} - \mathrm{H}$ $6\,\mathrm{mol}$ 에 해당하는 $565\,\mathrm{kJ/mol} \times 6\,\mathrm{mol} = 3390\,\mathrm{kJ}$ 이다.

그러므로 생성물의 결합 에너지 총합은 $D_{\mathrm{avg}}(\mathrm{N}\equiv\mathrm{N}) + 3390\,\mathrm{kJ}$ 이다.

기체 반응에서 반응 엔탈피 $\Delta H = ($ 반응물의 결합 에너지 총합 $) - ($ 생성물의 결합 에너지 총합 $)$ 에서
$-1513\,\mathrm{kJ} = 6D_{\mathrm{avg}}(\mathrm{N} - \mathrm{H}) + 477\,\mathrm{kJ} - (D_{\mathrm{avg}}(\mathrm{N}\equiv\mathrm{N}) + 3390\,\mathrm{kJ})$ ,
$1400\,\mathrm{kJ} = 6D_{\mathrm{avg}}(\mathrm{N} - \mathrm{H}) - D_{\mathrm{avg}}(\mathrm{N}\equiv\mathrm{N})$ ⋯①이다.

생성 엔탈피는 어떤 물질 $1\,\mathrm{mol}$ 이 물질을 이루는 원소의 가장 안정한 상태로부터 생성될 때의 반응 엔탈피이다.

$\mathrm{N}$ 과 $\mathrm{H}$ 의 가장 안정한 상태는 각각 $\mathrm{N_{2}}(g)$ , $\mathrm{H_{2}}(g)$ 이므로 $\mathrm{NH_{3}}(g)$ 의 생성 엔탈피는 아래 열화학 반응식에서 $\dfrac{1}{2}x$ 에 해당한다.

$\mathrm{N_{2}}(g) + 3\mathrm{H_{2}}(g) \rightarrow 2\mathrm{NH_{3}}(g)\qquad\Delta H^{\circ} = x\,\mathrm{kJ}$

이제 이 반응식에서 반응물과 생성물의 결합 에너지를 통해 $x$ 를 구해 보자.

$1.$ 반응물의 결합 에너지 총합 구하기:

반응물인 $\mathrm{N_{2}}$ 와 $\mathrm{H_{2}}$ 의 루이스 구조를 그리면 아래 그림과 같다.

$\mathrm{N_{2}}(g)$ $1\,\mathrm{mol}$ 의 결합 에너지는 $\mathrm{N}\equiv\mathrm{N}$ $1\,\mathrm{mol}$ 에 해당하는 $D_{\mathrm{avg}}(\mathrm{N}\equiv\mathrm{N})$ 이고,
$\mathrm{H_{2}}(g)$ $3\,\mathrm{mol}$ 의 결합 에너지는 $\mathrm{H} - \mathrm{H}$ $3\,\mathrm{mol}$ 에 해당하는 $436\,\mathrm{kJ/mol} \times 3\,\mathrm{mol} = 1308\,\mathrm{kJ}$ 이다.

그러므로 반응물의 결합 에너지 총합은 $D_{\mathrm{avg}}(\mathrm{N}\equiv\mathrm{N}) + 1308\,\mathrm{kJ}$ 이다.

$2.$ 생성물의 결합 에너지 총합 구하기:

생성물인 $\mathrm{NH_{3}}$ 의 루이스 구조를 그리면 아래 그림과 같다.

$\mathrm{NH_{3}}(g)$ $2\,\mathrm{mol}$ 의 결합 에너지는 $\mathrm{N} - \mathrm{H}$ $6\,\mathrm{mol}$ 에 해당하는 $6D_{\mathrm{avg}}(\mathrm{N} - \mathrm{H})$ 이다.

그러므로 생성물의 결합 에너지 총합은 $6D_{\mathrm{avg}}(\mathrm{N} - \mathrm{H})$ 이다.

기체 반응에서 반응 엔탈피 $\Delta H = ($ 반응물의 결합 에너지 총합 $) - ($ 생성물의 결합 에너지 총합 $)$ 에서
$x\,\mathrm{kJ} = D_{\mathrm{avg}}(\mathrm{N}\equiv\mathrm{N}) + 1308\,\mathrm{kJ} - 6D_{\mathrm{avg}}(\mathrm{N} - \mathrm{H})$ ,
$-x\,\mathrm{kJ} + 1308\,\mathrm{kJ} = 6D_{\mathrm{avg}}(\mathrm{N} - \mathrm{H}) - D_{\mathrm{avg}}(\mathrm{N}\equiv\mathrm{N})$ 이다.

이를 ①에 넣으면
$1400\,\mathrm{kJ} = 6D_{\mathrm{avg}}(\mathrm{N} - \mathrm{H}) - D_{\mathrm{avg}}(\mathrm{N}\equiv\mathrm{N})$ ⋯①에서
$1400\,\mathrm{kJ} = -x\,\mathrm{kJ} + 1308\,\mathrm{kJ}$ ,
$x = - 92$ 이다.

그러므로 $\mathrm{NH_{3}}$ 의 생성 엔탈피는 $\dfrac{1}{2}x = \dfrac{1}{2} \times (-92) = -46\,\mathrm{kJ/mol}$ 이다.

따라서 답은 $3$ 번이다.