백과

에너지와 열역학 제1법칙

에너지 개념은 모든 과학분야에서 잘 알려진 기본개념이다.

화학계는 운동 에너지와 퍼텐셜 에너지를 가질 수 있다. 운동 에너지는 열 에너지로 알려져 있는데, 액체는 많은 열 에너지를 갖고 있으면 부피가 팽창하므로 이 성질을 이용해 온도계로 계의 열 에너지나 온도를 측정할 수 있다. 모든 분자의 운동이 정지된 상태를 절대영도로 정의한다. 에너지는 또한 퍼텐셜 에너지로 원자와 분자에 저장되는데, 양성자와 중성자가 결합해 특정 원소의 원자핵을 형성할 경우 일정량의 질량손실이 있으며 이것은 등가의 운동 에너지로 전환된다.

이는 아인슈타인의 관계식(E=mc²)으로부터 계산할 수 있다. 계의 퍼텐셜 에너지가 감소할 때 대부분의 에너지는 열로 방출되며 종종 방사 에너지나 빛으로 발산되기도 한다. 또한 내연기관의 실린더에서는 연료의 연소에 의해 화학적 퍼텐셜 에너지가 운동 에너지로 전환되는데, 이 과정으로 에너지는 서로 다른 종류로 전환될 수 있지만 총량은 보존된다는 열역학 제1법칙을 알 수 있다.

엔트로피와 열역학 제2법칙

일부 화학반응은 실제 에너지의 변화 없이도 일어날 수 있다.

진공상태의 용기와 기체의 흐름을 방해하는 벽을 가진 장치에서 벽이 제거되면 기체는 가능한 부피를 채우기 위해 진공상태의 용기로 팽창하게 된다. 이 경우 두 용기의 온도가 같다면 팽창하기 전과 후의 에너지의 변화는 없다. 이 반응의 역반응은 일어나지 않으며 이러한 반응은 무질서가 증가하는 쪽으로 진행된다. 임의의 계의 무질서도를 나타내는 열역학적 양을 엔트로피라고 한다. 절대영도에서 모든 원자와 분자는 정지상태에 있으며 이러한 물질의 무질서도, 즉 엔트로피는 0이 된다(엔트로피가 절대영도에서 0이라는 정의를 열역학 제3법칙이라고 함). 절대영도 이상에서 모든 물질은 온도가 증가함에 따라 양(陽)의 엔트로피를 갖는데, 냉각되는 물체의 엔트로피는 감소하며 주위의 엔트로피는 증가한다.

이 때 주위 엔트로피의 증가는 냉각되는 물체의 엔트로피가 감소하는 양보다 크며, 이것은 모든 자발적인 반응에서 반응계와 주위의 엔트로피의 총합은 항상 증가한다는 열역학 제2법칙에 잘 맞는다. 즉 열역학 제1법칙과 제2법칙을 간단히 말하면 우주의 모든 화학변화 과정에서 에너지는 보존되며 엔트로피는 증가한다는 것이다.

반응속도

화학반응속도는 실험적으로 측정할 수 있으며, 반응물질의 농도, 온도, 활성화 에너지 등에 의존한다.

이는 주로 빠르게 움직이는 이 현상을 화학자들은 충돌이론으로 설명하는데, 두 분자가 충돌할 경우 그중 한 분자는 분자 사이의 결합을 끊을 수 있을 정도의 충분한 에너지를 얻을 수 있고, 이때 새로운 결합이 형성되므로 반응물질은 새로운 생성물로 전환된다는 것이다. 결합이 끊어지고 새로운 결합이 생기는 과정 중에 에너지가 가장 높은 상태를 전이상태(transition state)라고 한다.

전이상태와 반응물의 에너지의 차를 활성화 에너지(activation energy)라고 하며, 이것은 반응이 일어나기 위한 최소 에너지이다. 또한 온도가 증가함에 따라 분자의 운동 에너지가 증가하므로 반응속도는 증가한다. 현재 레이저와 컴퓨터를 이용하면 수명이 매우 짧은 충돌 생성물을 연구하고 화학반응의 메커니즘을 정확히 검출할 수 있다.

나아가 이러한 지식은 활성화 에너지를 낮추어 반응속도를 증가시키는 새로운 촉매개발에도 유용하다.