18. 동적 평형 (Dynamic Equilibrium)

🧪 동적 평형 (Dynamic Equilibrium)

1. 동적 평형의 선행 개념

• 정반응 (Forward Reaction)과 역반응 (Reverse Reaction)
  • 정반응: 화학 반응식에서 오른쪽으로 진행되는 반응. (반응물 $\to$ 생성물)
  • 역반응: 화학 반응식에서 왼쪽으로 진행되는 반응. (생성물 $\to$ 반응물)
• 가역 반응 (Reversible Reaction)과 비가역 반응 (Irreversible Reaction)
  • 가역 반응: 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는 반응. $\leftrightarrow$ (양방향 화살표)로 표현한다.
    • 예시 (가역 반응)
      • 상태 변화 (증발 및 응축, 융해 및 응고)
      • 수화물의 생성과 분해 (예: $\text{CuSO}_4 \cdot 5\text{H}_2\text{O} \rightleftharpoons \text{CuSO}_4 + 5\text{H}_2\text{O}$)
      • 앙금의 용해 및 석회 동굴 생성 반응 (예: $\text{CaCO}_3 + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2 \rightleftharpoons \text{Ca}(\text{HCO}_3)_2$)
  • 비가역 반응: 정반응만 일어나며 역반응은 거의 일어나지 않는 반응. $\to$ (단방향 화살표)로 표현한다.
    • 예시 (비가역 반응)
      • 연소 반응: 빛과 열을 내며 타는 반응 ($\text{CH}_4 + 2\text{O}_2 \to \text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$)
      • 기체 발생 반응: 없던 기체가 새롭게 만들어지는 반응 ($\text{Zn} + 2\text{HCl} \to \text{ZnCl}_2 + \text{H}_2 \uparrow$)
      • 강산-강염기 중화 반응
      • 앙금 생성 반응

2. 동적 평형의 정의 및 조건

• 동적 평형: 정반응의 속도와 역반응의 속도가 같아져 겉보기에는 반응이 더 이상 진행되지 않는 것처럼 보이는 상태이다.
• 조건:
  • 반드시 가역 반응이어야 한다.
  • 반응물과 생성물이 공존하는 상태이다. (정반응, 역반응이 계속 일어나고 있기 때문)
  • 겉보기에는 변화가 없지만, 실제로는 미시적인 반응이 계속 진행되고 있다.

3. 물리 평형 (Physical Equilibrium)

• 정의: 물질의 성질 변화 없이 (물리 변화) 상태 변화나 용해 과정 등에서 정반응과 역반응 속도가 같아져 도달하는 평형 상태이다.
• 특징: 물리 평형은 정반응의 속도가 일정하게 유지된다.

1) 상 평형 (Phase Equilibrium)

• 예시: 밀폐 용기 속 물의 증발과 수증기의 응축
  • 반응식: $\text{H}_2\text{O}(l) \rightleftharpoons \text{H}_2\text{O}(g)$
  • 정반응 (증발 속도): 액체 상태인 물의 농도(진하기)는 증발해도 변하지 않으므로, 정반응 속도는 처음부터 끝까지 일정하다.
  • 역반응 (응축 속도): 시간이 지날수록 수증기(기체)의 양이 증가하여 수증기의 농도가 증가한다. $\rightarrow$ 역반응 속도는 점점 증가한다.
  • 평형 도달: 증발 속도 = 응축 속도가 되어 물의 수면 높이 변화가 멈춘다.

2) 용해 평형 (Solubility Equilibrium)

• 예시: 포화 수용액 속 용해와 석출
  • 반응: $\text{용질}(s) \rightleftharpoons \text{용질}(aq)$ (고체 용질의 용해와 석출)
  • 정반응 (용해 속도): 고체 용질 자체의 농도는 변하지 않으므로 용해 속도는 일정하다.
  • 역반응 (석출 속도): 시간이 지날수록 용액 속의 용질 농도(몰수)가 증가한다. $\rightarrow$ 석출 속도는 점점 증가한다.
  • 평형 도달: 용해 속도 = 석출 속도가 되어 더 이상 고체 용질의 양이 줄어들지 않는다. (포화 용액 상태)

4. 화학 평형 (Chemical Equilibrium)

• 정의: 물질의 성질 변화 (화학 변화)를 수반하는 가역 반응에서 정반응과 역반응 속도가 같아져 도달하는 평형 상태이다.
• 특징: 화학 평형은 정반응과 역반응의 속도가 모두 변화한다.
• 예시: 이산화 질소의 이합 반응
  • 반응식: $2\text{NO}_2(g) \rightleftharpoons \text{N}_2\text{O}_4(g)$
    • ($\text{NO}_2$: 적갈색 기체 / $\text{N}_2\text{O}_4$: 무색 기체)
  • 정반응 속도: $\text{NO}_2$ 기체가 반응하여 $\text{N}_2\text{O}_4$가 될수록 반응물($\text{NO}_2$)의 농도는 감소한다. $\rightarrow$ 정반응 속도는 점점 감소한다.
  • 역반응 속도: $\text{N}_2\text{O}_4$ 기체가 생성될수록 생성물($\text{N}_2\text{O}_4$)의 농도는 증가한다. $\rightarrow$ 역반응 속도는 점점 증가한다.
  • 평형 도달: 정반응 속도 = 역반응 속도가 되어 색 변화가 멈춘다.

• 화학 평형 도달까지의 양적 변화 (기체 반응)

변화량	입자 수	압력
$2\text{NO}_2 \to \text{N}_2\text{O}_4$	계수비 (2:1)에 의해 전체 입자 수 감소	입자 수 감소 $\to$ 용기 벽면 충돌 횟수 감소 $\to$ 압력 감소
$\text{N}_2\text{O}_4 \to 2\text{NO}_2$	계수비 (1:2)에 의해 전체 입자 수 증가	입자 수 증가 $\to$ 용기 벽면 충돌 횟수 증가 $\to$ 압력 증가

• 주의 사항
  • 동적 평형 상태는 정반응 속도 = 역반응 속도인 상태를 의미할 뿐, 반응물의 양 = 생성물의 양 이거나 반응물의 농도 = 생성물의 농도인 상태를 의미하는 것은 아니다.
  • 동적 평형에 도달하기 전까지는 정반응 속도가 역반응 속도보다 우세하므로, 반응물의 양은 줄고 생성물의 양은 늘어난다.