[유기 화학] 0-2. 화학반응의 이해 - 열역학, 반응속도론

영상강의

 

 

 

 

 

유기화학이란?

탄소(C)를 함유한 분자의 반응=전자의 흐름=결합의 깨짐과 생성

그러니 반응을 이해해야 한다.

 

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열역학 vs 반응속도론

 

열역학(Theromodynamics)	반응속도론(Kinetics)
반응이 자발적으로 일어날 것이냐?	반응이 얼마나 빨리 일어나는가?
△G △S계 & △S주위 △S계 &  △H계 가 결정함	활성화 에너지 Ea가 결정함
처음상태와 나중상태가 결정	전이상태가 중요

 

둘은 무관하다. 구별할 수 있어야 한다!

 

ex. 다이아몬드가 흑연으로 바뀌는 과정은 자발적이지만, 매우 느림

즉, 열역학적으로 선호되지만, 반응속도론에서 불리함

 

 

 

 

 

 

 

열역학(thermodynamics)

 

1,2,3은 결국 똑같은 이야기이다.

 

(1) 우주의 엔트로피(계와 주위의 엔트로피 총합)가 증가해야 반응이 자발적이다

"열역학 제 2법칙"

우주의 엔트로피( △S우주 = △S계 + △S주위)가 증가해야 반응이 자발적이다

주위의 엔트로피 변화 △S주위 =  - △H계/T	계의 엔트로피 변화 △S계
계에서 방출한 열이, 주위의 무질서한 운동을 증가시킴 ★똑같은 열이 방출되어도, 주위의 온도가 낮을 때 주위의 엔트로피가 더 크게 변화한다 (-△H계/T인 이유)	분자수가 많아지거나, 고리가 선형이 되면 무질서해짐

 

 

 

 

 

(2) 계의 엔트로피, 계의 엔탈피(주위의 엔트로피)가 반응의 자발성을 결정한다

즉 엔트로피 S계, 엔탈피 H계가 반응의 자발성을 결정

△H가 음수(열을 방출), △S가 양수(무질서해짐)일수록 자발적

주위의 엔트로피  → 엔탈피  △S주위 =  - △H계/T	계의 엔트로피 △S계
결합에 의한 열의 출입	무질서의 척도
결합이 깨지려면 에너지가 투입된다. 결합이 생성되면 에너지가 방출된다. *강한 결합일수록 방출E=투입E ↑ >> 어떤 결합이 깨지고 생기는지가 엔탈피를 결정한다 반응에 의해 결합이 깨지고, 새로 생성되며 total 에너지가 필요한지(흡열), 방출되는지(발열) 알아야 함	분자수가 더 많아지면! 고리보다 선형 분자가! 무질서하다
★똑같은 열이 방출되어도, 주위의 온도가 낮을 때 주위의 엔트로피가 더 크게 변화한다 (-△H계/T인 이유)

 

 

※엔탈피는 반응에서 깨지고 생기는 결합이 결정한다

강한 결합일수록 깨기 위해 많은 에너지가 필요하고, 생성될 때 많은 에너지를 방출한다

결합에너지를 이용해 대략적인 엔탈피변화를 알 수 있다

 

반응식과 함께 쓰는 저게 바로 엔탈피변화

 

 

***엔탈피와 흡열/발열

흡열(endothermic) 반응은 △H>0

발열(exothermic) 반응은 △H<0

 

***(헷갈릴 수 있는 개념) 발열반응과 자발성의 차이

발열반응은 △H계<0일 뿐이다.

발열(exothermic)반응이라고 무조건 자발적(exergonic)인게 아니다!!!!!

 

자발적이려면 △G<0이어야 한다.

자발성인지 알기 위해서는 △S까지 따져봐야 한다!

 

 

 

※엔트로피는 무질서한 정도가 결정한다

분자수가 많을수록 엔트로피가 증가한다

분자수가 4->2로 줄어드니 엔트로피가 낮아질 것이다

 

고리분자보다 선형분자가 무질서하다

엔트로피가 낮아짐

 

 

 

 

 

 

 

(3) 깁스 에너지가 음수여야 반응이 자발적이다 

깁스 에너지 G: 자발성(우주의 엔트로피)의 척도.

주위의 엔트로피와 계의 엔트로피를 모두 아우르는 개념

즉 계의 엔트로피, 계의 엔탈피를 모두 아우르는 개념

 

△G = △H계 - T△S계 

△G<0이면 자발적이다. 

△G<0이면 △S우주>0이기 때문.  

△G/T = △H계/T - △S계 =  -△S우주

 

 

 

 

 

 

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※자발성과 온도

같은 열이 방출되어도, 주위의 온도가 낮을수록 △S주위가 클 것이다. (쉽게 영향을 받음)

따라서 같은 반응도, 온도에 따라 자발성이 달라질 수 있다.

 

물론 항상 자발적이거나 항상 비자발적인 반응도 있다.

 

 

△S우주, 즉 △S계, △S주위 로 보는 자발성과 온도의 관계

△S계>0 **무질서해짐♡ △S주위>0 **발열♡	모든 온도에서 자발적
△S계<0  **질서 △S주위<0  **흡열	모든 온도에서 비자발적 (역방향이 자발적)
△S계>0 **무질서해짐♡ △S주위<0  **흡열	△S계가 △S주위보다 영향력 있을 때만 자발적 - T가 높을 때 ex. 100도씨 이상에서 물이 수증기(흡열)
△S계<0 **질서 △S주위>0  **발열♡	△S주위가 △S계보다 영향력 있을 때만 자발적 - T가 낮을 때  ex. 0도씨 이하에서 물이 얼음으로(발열)

 

△G, 즉 △S계, △H계 로 보는 자발성과 온도의 관계

△H계<0 △S계>0 발열적이고 무질서하기까지...	모든 온도에서 자발적
△H계>0 △S계<0 아놔 흡열에다가 질서정연해지자나;;	모든 온도에서 비자발적
△H계>0 **흡열 △S계>0 **무질서해짐	높은 온도에서 자발적 (무질서함으로 발열성이 아닌 걸 커버칠 수 있는 온도 이미 높은 온도라 좀 빼앗겨도 됨) (반대로 말하자면, 발열성이 중요한 온도라 발열인 역반응이 자발적이다)
△H계<0 **발열 △S계<0 **질서해짐	낮은 온도에서 자발적 (발열성이 중요한 추진력)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

적용해보자!

 

 

이 반응은 

1) △S<0

분자수가 줄고, 고리분자가 되어 무질서도가 낮아진다.

2) △H<0

2개의 파이결합이 깨지고(E 흡수), 2개의 시그마 결합이 생긴다(E방출).

파이결합이 시그마 결합보다 약하니, 방출되는 열이 더 크다

>>> △G = △H계 - T△S계  <0이려면,  이 반응은 저온에서 자발적이게 될 것이다.

 

 

 

 

 

 

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반응속도론 (Kinetics)

 

속도는 자발성과 무관하다

유효한 충돌을 많이 할수록 반응 속도가 빨라진다.

반응물 농도	활성화 에너지 ★	온도	분자배향 등	촉매
농도가 높으면 충돌수도 많아진다	유효충돌, 즉 반응을 일으키기 위해 충돌할 때 특정 에너지 값을 넘어야 한다	유효충돌 분율을 높인다. 활성화 에너지 이상인 분자 비율이 커짐	유효충돌을 위해 특정 배향을 가져야 한다	활성화 에너지를 낮춰 유효충돌분율을 높인다

 

 

 

 

※ Transition state(전이상태) vs Intermediate(중간체)

활성화에너지를 결정하는 건 전이상태. 

아주 잠깐 생겨서 분리할 수 없음

 

반면 중간체는 분리 가능 

 

 

 

 

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※헷갈릴 수 있는 개념※  그래프로 보는 자발성 vs 반응속도

 

자발성은 처음 상태와 나중상태의 G차이, 즉 △G가 결정

*자발성에 영향을 주는 한 요인인 △H는 발열반응인지, 흡열반응인지와 관련 있음.

 

반응 속도는 활성화 에너지가 결정함

(즉, 처음/나중 상태가 결정하지 않음)

 

 

 

 

이 반응은 활성화 에너지를 비교했을 때 핑크가 반응속도가 빠름

열역학(자발성)은 파랑이 유리함 (물론 정확히 하려면 계의 엔트로피까지 고려해야 하나, 엔탈피만 비교했을 때)