발열반응과 흡열반응의 이해

발열반응과 흡열반응의 이해

 

많은 화학반응들은 반응과정에서 열, 빛 또는 소리와 같은 형태로 에너지를 방출합니다. 이러한 반응은 열역학적으로 ‘발열반응’이라고 부릅니다. 이 발열반응은 자발적으로 일어날 수 있으며 계(시스템)의 더 높은 엔트로피(무작위성)을 유발할 수 있습니다.

 

발열반응

 

발열반응은 '열'을 생성하며 계의 외부로 열을 보내기 때문에 엔탈피의 감소(음의 ΔH)로 표현할 수 있습니다. 즉, 계의 포텐셜 에너지는 낮아집니다. 실험실에서 종종 일어나는 화재나 폭발은 발열반응의 예로 볼 수 있습니다.

 

화학적 반응을 진행하기 위해서는 반드시 에너지를 흡수해야하는 화학 물질들이 있습니다. 이러한 물질들의 반응은 ‘흡열반응’이라고 합니다. 흡열반응은 일반적으로 자발적으로 진행되지 않습니다. 이러한 반응이 일어나기 위해서는 ‘일(Work)’이 필요합니다. 만약 흡열반응이 진행된다면 외부의 열 에너지가 흡수되면 반응 중 온도가 낮아집니다.

 

흡열반응

 

흡열반응은 외부의 에너지를 계 내부로 흡수하기 때문에 엔탈피의 증가(양의 ΔH)로 표현할 수 있습니다. 이렇게 흡수된 에너지는 계(system)로 전달되어 반응이 일어나는테 필요한 활성화에너지로 사용되며 반응이 끝난 후의 계의 포텐셜 에너지는 증가합니다. 얼음이 녹아 물이 되거나, 또는 질산 암모늄의 용해반응 등이 대표적인 흡열반응의 예로 볼 수 있습니다.

 

발열반응과 흡열반응의 예

 

나트륨과 염소의 반응을 통해 염화나트륨(NaCl, 소금)을 만드는 과정은 발열반응입니다. 이 반응을 통해 8]생성되는 염의 각 몰당 411kJ의 에너지가 방출됩니다.

 

Na (s) + 0.5Cl₂ (s) = NaCl (s)

 

발열 과정의 또 다른 예는 다음과 같습니다.

 

• 테르밋 반응
• 산-염기의 중화반응
• 대부분의 중합반응
• 연료의 연소반응
• 생명체의 호흡과정
• 핵분열
• 금속의 부식(산화반응)
• 황산의 용해

 

광합성은 흡열 화학 반응의 대표적인 예입니다. 이 과정을 통해 식물은 태양 에너지(빛)를 흡수하여 이산화탄소와 물을 포도당과 산소로 전환합니다. 이 반응에는 생성되는 포도당 1kg 당 15MJ의 에너지(빛)가 필요합니다.

 

햇빛 + 6CO₂ (g) + H₂O (l) = C₆H₁₂O₆ (aq) + 6O₂ (g)

 

아래는 흡열 반응의 또 다른 예를 나타냅니다.

 

• 염화 암모늄의 용해
• 알칸(Alkane) 크래킹
• 니켈보다 무거운 원소의 핵 합성
• 물의 증발
• 얼음의 융해

 

발열반응과 흡열반응의 비교

 

흡열반응	발열반응
열을 흡수 (온도감소)	열을 방출 (온도상승)
추가 에너지 필요(비자발적)	자발적인 반응
엔트로피 감소	엔트로피 증가
엔탈피 증가	엔탈피 감소

 

요약

 

1. 흡열 및 발열 반응은 각각 열을 흡수하고 방출하는 화학 반응입니다.

2. 광합성은 흡열반응, 연소는 발열반응의 예 입니다.

3. 화학반응을 흡열 또는 발열 반응으로 분류하는 기준은 열 전달의 방향에 따라 다릅니다.

 

내용 및 사진 출처

 

1. Let's talk science, The Cold Pack: A Chilly Example of an Endothermic Reaction