5. 반응 엔탈피와 헤스의 법칙

🧪 반응 엔탈피와 헤스의 법칙

핵심 내용: 발열 vs 흡열 반응, 엔탈피($H$) 정의, 결합 에너지로 반응열($\Delta H$) 구하기, 헤스 법칙의 퍼즐 맞추기.

지난 장까지는 반응의 '속도'나 '농도'를 이야기했다면, 이제는 "에너지(열)"를 다룰 차례다.
화학 반응이 일어날 때 열이 발생하거나 흡수된다는 건 초등학교 교육과정에서 다룬다. 하지만 화학2에서는 이것을 엔탈피($H$)라는 있어 보이는 개념으로 정의하고, 계산까지 해내야 한다.

오늘은 "화학 반응의 에너지 가계부"를 작성하는 법을 배운다.

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1. 엔탈피(Enthalpy, $H$)란 무엇인가?

쉽게 말해 "어떤 물질이 가지고 있는 고유한 에너지의 양"이다.
하지만 우리는 물질 속에 숨겨진 절대적인 에너지 양을 측정할 수는 없다. 대신 변화량($\Delta H$)은 측정할 수 있다.

반응 엔탈피 ($\Delta H$)

반응이 일어날 때 출입하는 열의 양을 말하며, 일정한 압력 상태에서의 열 출입량과 같다.

$$\Delta H = H_{\text{생성물}} - H_{\text{반응물}}$$

부호 결정 (매우 중요!)

돈을 쓰면 통장 잔고가 줄어드는 것($-$)과 똑같다. 계(System) 입장에서 생각해야 한다.

1. 발열 반응 (Exothermic): 열을 밖으로 방출한다.
   • 나의 에너지는 줄어든다. $\rightarrow$ $\Delta H < 0$ (음수)
   • 예: 연소 반응, 산-염기 중화 반응.
2. 흡열 반응 (Endothermic): 열을 흡수한다.
   • 나의 에너지는 늘어난다. $\rightarrow$ $\Delta H > 0$ (양수)
   • 예: 광합성, 열분해.

💡 그래프 해석:

• 발열: 반응물(위) $\rightarrow$ 생성물(아래)로 떨어지는 그래프.
• 흡열: 반응물(아래) $\rightarrow$ 생성물(위)로 올라가는 그래프.

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2. 표준 생성 엔탈피 ($\Delta H_f^\circ$)

엔탈피 계산의 기준점이 되는 아주 중요한 녀석이다.

• 정의: 1기압, 25°C에서 가장 안정한 성분 원소로부터 화합물 1몰이 생성될 때의 엔탈피 변화.
• 핵심 규칙: 가장 안정한 원소 자체($O_2, H_2, C(\text{흑연}), Fe$ 등)의 생성 엔탈피는 '0'이다. (기준이니까!)

왜 배울까?
모든 물질의 생성 엔탈피 값만 표에서 찾으면, 직접 실험하지 않아도 그 반응의 반응열을 계산할 수 있기 때문이다.

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3. 헤스의 법칙 (Hess's Law)

오늘의 주인공이다. 이 법칙 하나로 복잡한 화학 반응의 열량을 책상 위에서 계산할 수 있다.

"반응 경로가 달라도, 처음 상태와 나중 상태만 같으면 총 엔탈피 변화량은 같다."

등산의 비유

산을 오를 때, 완만한 둘레길로 가든 가파른 암벽 등반으로 가든, 출발지(산 입구)와 도착지(정상)의 높이 차이는 똑같다. 엔탈피는 경로에 무관한 상태 함수(State Function)이기 때문이다.

헤스의 법칙 활용법 (퍼즐 맞추기)

시험 문제에서는 목표 반응식의 $\Delta H$를 구하기 위해, 주어진 여러 반응식들을 조립해야 한다.

1. 뒤집기: 반응식을 역반응으로 뒤집으면?
   • $\Delta H$의 부호가 반대로 바뀐다. ($+ \rightarrow -$)
2. 곱하기: 계수에 $n$을 곱하면?
   • $\Delta H$도 $n$배 해준다.
3. 더하기: 두 반응식을 더하면?
   • $\Delta H$값끼리 더한다.

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4. 반응 엔탈피 구하는 3가지 필살기

실전 문제에서는 아래 3가지 방법 중 상황에 맞는 것을 골라 써야 한다.

① 헤스의 법칙 이용 (반응식 조립)

주어진 반응식들을 더하고 빼서 목표 반응식을 만든다. (가장 기본)

② 생성 엔탈피 이용 (가장 많이 씀)

문제에 각 물질의 생성 엔탈피($\Delta H_f^\circ$)가 주어졌을 때 사용한다.

$$\Delta H_{\text{반응}} = \sum \Delta H_f^\circ (\text{생성물}) - \sum \Delta H_f^\circ (\text{반응물})$$

암기 팁: "생 - 반" (생성물 빼기 반응물)

③ 결합 에너지 이용

문제에 결합 에너지(Bond Energy) 데이터가 주어졌을 때 사용한다. (이때는 반대다!)

$$\Delta H_{\text{반응}} = \sum (\text{반응물의 결합 에너지}) - \sum (\text{생성물의 결합 에너지})$$

암기 팁: "반 - 생" (끊어야 할 놈 빼기 새로 생긴 놈)

• 이유: 결합을 끊는 건 흡열($+$), 결합이 생기는 건 발열($-$)이기 때문.

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5. 핵심 요약

1. 엔탈피($\Delta H$): 반응 시 출입하는 열 에너지.
   • 방출하면 $(-)$, 흡수하면 $(+)$.
2. 헤스의 법칙: 가는 길은 중요하지 않다. "시작과 끝"만 같으면 총 에너지는 같다.
3. 계산 꿀팁:
   • 반응식을 뒤집으면 부호 반대!
   • $\Delta H = \text{생성물} - \text{반응물}$ (생성 엔탈피 기준)