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CHEMISTRY(Chapter 6‐1)

Thermochemistry(CH 6.1 – 6.4)

Tae Kyu Kim

Department of Chemistry

Rm. 301 (tkkim@pusan.ac.kr)

http://plms.pusan.ac.kr

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기체의 분자 운동론압력: 벽면에 기체 분자의 충돌온도의 증가: 벽면에 기체 분자의 충돌 수의 증가

분출과 확산확산: 오랜 시간 확산 후 용기 내에 농도 차이가 없어짐

실제 기체Van der Waals 방정식:

Summary

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SUMMARY (CHAPTER 5)

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SUMMARY (CHAPTER 5)

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내부 에너지란 무엇인가?

계가 가지고 있는 총 에너지: ∆E = q + w

Questions?

엔탈피란 무엇인가?

내부에너지 + PV: 일정압력 조건에서의 열변화

반응이 역으로 진행될 때 열 흐름은?

엔탈피 변화의 부호가 반대

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Terminology6.1에너지 : energy퍼텐셜 에너지 : potential energy운동 에너지 : kinetic energy열 : heat일 : work6.2우주 : universe계 : system주위 : surrounding발열 반응 : exothermic reaction흡열 반응 : endothermic reaction내부 에너지 : internal energy

6.3열역학 : thermodynamics상태함수 : state function엔탈피 : enthalpy반응엔탈피 : reaction enthalpy

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Nature of energy

A. Law of conservation of energy (에너지 보존의 법칙)Energy (에너지): 일을 하거나 열을 발생시킬 수 있는 능력

에너지는 다른 형태로 바뀔 수는 있지만 새로 만들어지거나 소멸되지 않음, 즉 우주의 에너지는 일정

B. Potential energy (퍼텐셜 에너지)

위치 또는 조성의 변화에 따른 에너지

댐 안의 물, 인력, 반발력

가솔린이 연소할 때, 반응물과 생성물을 이루고 있는원자핵과 전자 사이의 인력이 변하면서 에너지 방출

C. Kinetic energy (운동 에너지)

물체의 운동에 따른 에너지

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Nature of energy

D. Temperature vs. heat (열) vs. work (일)Temperature: 특정 물질을 이루고 있는 입자의 무질서한 운동을나타내는 특성

Heat: 두 물체 사이의 온도 차이에 의한 에너지의 전달을 포함하는개념, 열은 특정한 물체의 구성 요소가 아님

Work: 물체를 이동시키는데 작용한 힘

Heat는 에너지의 이동

에너지는 현재 상태에 의해서만 그 값이 결정되지만, 열과 일은 상태의 변화를 통해서만 알 수 있음

A의 potential energy 변화 = B의 potential energy 변화 + 마찰에 의한 heat

나중 상태의 energy – 초기 상태의 energy = heat or/and work

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Nature of energy

E. Universe (우주) vs. system (계) vs. surrounding (주위)System (계): 화학 반응이 일어나는 용기

Universe = surrounding + system

surrounding

system

heat

Surrounding (주위): 계를 제외한 우주의모든 부분

open system closed system isolated system

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Nature of energyF. Exothermic reaction (발열 반응)

열이 발생하는 반응, 에너지가 계로부터 방출

화학 결합에 저장 되었던 퍼텐셜 에너지가 열 에너지로 변화

G. Endothermic reaction (흡열 반응)

주위로부터 열을 흡수하는 반응

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Introduction to Thermodynamics

A. State of a system (계의 상태)

• 열역학(Thermodynamics): 열과 에너지 사이의 상호변환 관계를 연구

• 계의 상태: 물질의 조성, 에너지, 온도, 압력, 부피와 같은 거시적 성질의 값으로 정의

• 상태함수(State Function): 주어진 조건까지 도달한 과정에는 상관없이 계의 상태에 의해서만 결정되는 성질 (에너지, 압력, 부피, 온도)

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B. Internal energy (내부 에너지)

Internal energy (E) = potential energy + kinetic energy계를 이루고 있는 모든 입자의 운동 에너지와 퍼텐셜 에너지의 합

열과 일을 주위와 주고 받음으로써 계의 내부 에너지가 변화

열이 계로 유입 되면 (흡열 과정) q 는 양수.주위가 계에 일을 해 주면 (에너지가 주위로부터 계로 이동) w 는 양수

열역학 제 1법칙

Introduction to Thermodynamics

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Energy Change in Chemical Reactions

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Energy Change in Chemical Reactions

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계가 주위에 일을 해 주게 되면 일은음의 값이고, 기체의 부피는 증가하기때문에 V는 양의 값

주의) P는 외부의 압력1 L·atm = 101.3 J

Introduction to Thermodynamics

C. Work (일)

일: 물질의 운동 상태를 변화시킬 때 수반되는 에너지 변화→ 기계적인 일, 전기적인 일, 표면 일 등

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Example (6.1.)

→ 일과 열은 상태함수가 아니다

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Example (6.2.)

→ 일과 열은 상태함수가 아니지만 그 합인 내부에너지변화(ΔE)는 경로에 의존 받지 않는다.

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Enthalpy

A. Enthalpy (엔탈피, H)

H ≡ E + PV E, P, V 모두 어떤 상태의 값으로 표현됨→ 엔탈피도 어떤 상태의 값으로 표현됨

qP: 일정한 압력하에서의 열의 양

일정한 압력하에서의 반응열=엔탈피의 변화

화학 반응에서 엔탈피 변화는 ∆H = H생성물 – H반응물

H생성물 > H반응물 인 경우, ∆H > 0, 계는 열을 흡수, 반응은 흡열 반응

H생성물 < H반응물 인 경우, ∆H < 0, 계는 열을 발생, 반응은 발열 반응

Cf. 일정 부피

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EnthalpyB. 열화학반응식 (Thermochemical Reaction)

열화학반응식 쓰는 방법

1. 물질의 상태 표시

2. 반응식의 계수 고려

3. 역반응 고려

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Example (6.3.)

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ΔH and ΔE in Chemical Reactions

A. ∆H와 ∆E의 차이

→ 내부에너지의 일부가 기체 팽창일에 사용

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Example (6.4.)

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에너지의 본질내부에너지: 퍼텐셜 에너지 + 운동 에너지내부에너지 변화: 열 + 일

엔탈피와 열량계엔탈피의 변화: 일정한 압력 하에서는 반응열과 같음

Summary

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CHEMISTRY(Chapter 6‐2)

Thermochemistry(CH 6.5 – 6.7)

Tae Kyu Kim

Department of Chemistry

Rm. 301 (tkkim@pusan.ac.kr)

http://plms.pusan.ac.kr

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에너지의 본질내부에너지: 퍼텐셜 에너지 + 운동 에너지내부에너지 변화: 열 + 일

엔탈피와 열량계엔탈피의 변화: 일정한 압력 하에서는 반응열과 같음

Review (6.1-6.4)

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열계량법?

반응에서의 열변화를 열량계로 측정

Questions?

표준 생성 엔탈피란 무엇인가?

표준 상태에서 화합물을 이루고 있는 원소로부터 그 화합물 1mol을 생성할 때 수반되는 엔탈피의 변화

헤스의 법칙이란?

엔탈피가 상태함수라는 성질을 이용하여 반응엔탈피를 구하는 방법

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Terminology6.5비열 : specific het열용량 : heat capacity열량계 : calorimeter

6.6표준생성엔탈피 : standard formation enthalpy

6.7용해열 : heat of solution격자에너지 : lattice energy수화열 : heat of hydration

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A. Calorimetry (열계량법)열량계 (calorimeter): 화학반응에 관련된 열량 변화를 측정하는 장치

비열 (specific heat): 어떤 물질 1 g의 온도를 1°C 올리는 데 필요한 에너지 [J/g·°C] 세기성질 (intensive property)

Calorimetry

열용량 (heat capacity): 일정한 양의 물질을온도 1°C 올리는 데 필요한 에너지 [J/°C] 크기성질 (extensive property)

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Example 6.5.

몰열용량 (molar heat capacity): 어떤 물질 1몰의 물질을 온도 1°C 올리는 데 필요한 에너지 [J/mol·°C]

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일정부피열계량계(bomb calorimeter)

일정압력열계량계(constant‐pressure calorimeter)

Calorimetry

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Example 6.6. & 6.7.

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Example 6.8.

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Standard enthalpies of formation

A. Standard enthalpies of formation (표준 생성 엔탈피)표준 상태에서 화합물을 이루고 있는 원소로부터 그 화합물 1mol을 생성할 때 수반되는 엔탈피의 변화

대부분의 열역학 함수의 절대값은 구하기 힘들기 때문에, 상대적인 변화량만 측정 가능 => 기준의 되는 상태의 정의가 중요

‘표준 상태’와 ‘표준 온도와 압력(STP)’은 다름

∆H°f

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Standard enthalpies of formation

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Standard enthalpies of formation

예제) ∆H°f

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Standard enthalpies of formation

(∵산소는 이미 표준상태의 원소)

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Standard enthalpies of formation

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Standard enthalpies of formation

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Standard enthalpies of formation

예제) ∆H°f

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Standard enthalpies of formation

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Standard enthalpies of formation

예제) ∆H°f

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Standard enthalpies of formation예제)

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Hess’s law

A. Hess의 법칙

특정한 반응물에서 특정한 생성물이 만들어질 때, 반응이 한 단계로 이루어지거나 또는 여러 단계에 걸쳐 일어남에 관계 없이 엔탈피 변화량은 같음

위 반응을 두 단계로 나누어 쓸 수 있으며,

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Hess’s law

: 발열 반응

: 흡열 반응

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Hess’s law

예제)

엔탈피 변화량?

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Hess’s law예제)

엔탈피 변화량?

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Example 6.9.

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Lattice Energy & Heat of Hydration

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표준 생성 엔탈피표준상태 기체의 압력: 1atm표준상태 용액의 농도: 1M

Summary

Hess의 법칙엔탈피의 변화량: 반응이 어떤 단계를 거쳐 일어나는가

하고는 관련 없음

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SUMMARY (CHAPTER 6)

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SUMMARY (CHAPTER 6)