기체 평형의 압력·부피 변화

핵심 정리

기체 반응의 압력 효과를 판단할 때는 전체 압력과 반응 기체의 부분 압력을 구분하고, 부피가 어떻게 변했는지도 확인해야 한다. 온도가 일정할 때 기체의 압력은 몰수와 부피에 함께 좌우되므로, 압력을 높이는 조작이 반응 기체를 압축하는 것인지 비활성 기체를 첨가하는 것인지 먼저 살핀다. 반응식에서 기체 반응물과 생성물의 계수 합을 비교하면 평형 이동 방향을 판단할 수 있다. 기체 계수 합 비교

부피를 줄여 반응 기체의 부분 압력을 높이면 평형은 기체 분자 수가 적은 쪽으로 이동한다. 같은 온도에서 부피가 일정하면 전체 압력은 기체 전체 몰수에 비례하고, 압력이 일정하면 부피는 기체 전체 몰수에 비례한다. 따라서 평형 이동으로 기체 몰수가 변하는 정압 과정에서는 부피도 변할 수 있다.

비활성 기체를 첨가했을 때의 결과는 조건에 따라 다르다. 부피가 일정한 상태에서 첨가하면 반응 기체의 몰수와 부분 압력이 그대로이므로 평형은 이동하지 않는다. 반면 압력이 일정한 상태에서 첨가하면 부피가 커지고 반응 기체의 부분 압력과 몰농도가 낮아져, 평형은 기체 분자 수가 많은 쪽으로 이동한다. 비활성 기체를 첨가할 때 부피 조건 확인

자세히

평형 이동 문제에서는 먼저 고정된 조건을 확인한다. 온도는 평형 상수에 영향을 주며, 압력과 부피의 변화는 기체 성분의 농도나 부분 압력을 바꿀 수 있다. 반응식이 aA(g)+bB(g)\rightleftharpoons cC(g)+dD(g)라면 왼쪽 기체 계수 합은 a+b, 오른쪽 합은 c+d이다. 두 합을 비교해 어느 쪽의 기체 분자 수가 적은지 확인한다. 계수가 같으면 기체 분자 수 차이만으로 이동 방향을 판단할 수 없다. 고체와 액체는 이 비교에 포함하지 않는다. 비교 대상은 실제 평형 혼합물의 총몰수 자체가 아니라, 반응이 한쪽으로 진행할 때 기체 몰수가 어느 방향으로 변하는가이다.

용기의 부피를 줄이면 반응 기체가 압축된다. 온도가 일정할 때 부피가 작아지면 반응 기체의 농도와 부분 압력이 증가한다. 계는 이 변화를 줄이는 방향으로 반응하므로 평형은 기체 분자 수가 적은 쪽으로 이동한다.반응 기체를 압축해 부분 압력을 높이면 평형은 기체 분자 수가 적은 쪽으로 이동한다. 반대로 부피를 늘려 반응 기체의 부분 압력을 낮추면 기체 분자 수가 많은 쪽으로 이동한다. ‘압력이 낮아졌으니 적은 쪽으로 간다’고 외우면 방향을 반대로 판단하게 된다. 압축은 적은 몰수 쪽, 팽창은 많은 몰수 쪽으로 기억한다. 평형 이동은 부피 변화 직후 생긴 농도 변화에 대응하는 반응 방향을 뜻한다. 새 평형에 도달하면 반응이 진행된 만큼 각 기체의 몰수와 농도가 달라진다.

압력과 부피의 관계는 이상 기체 관계를 이용해 구분한다. 온도와 부피가 일정하면 전체 압력은 기체 전체 몰수에 비례한다. 온도와 압력이 일정하면 부피는 기체 전체 몰수에 비례한다. 따라서 기체 몰수가 변하지 않는 단순 압력 변화와, 반응이 진행되어 기체 몰수가 바뀌는 정압 과정을 같은 상황으로 보면 안 된다. 정압에서 반응이 진행되어 기체 몰수가 늘면 전체 기체의 부피가 커진다. 압력이 일정한 상태에서 기체 분자 수가 증가하는 방향으로 반응하면 부피가 증가한다. 평형 이동으로 반응식의 기체 몰수 합이 바뀌면 부피도 그에 따라 변할 수 있다. 부피 변화 방향을 정할 때는 온도와 압력이 일정한지 확인해야 한다.

비활성 기체를 넣는 문제에서는 전체 압력과 반응 기체의 부분 압력을 나누어 생각한다. 비활성 기체는 반응식에 포함된 반응물이나 생성물이 아니다. 따라서 비활성 기체를 첨가했다는 이유만으로 반응식의 좌우 기체 계수 합이 바뀌거나 반응 기체의 몰수가 직접 늘었다고 판단하지 않는다. 부피가 일정한 상태에서 첨가하면 반응 기체의 몰수와 부피가 그대로이므로 각 반응 기체의 부분 압력도 변하지 않는다. 비활성 기체가 더해져 전체 압력은 높아질 수 있지만, 평형을 결정하는 반응 기체의 부분 압력이 그대로라면 조성은 바뀌지 않는다. 따라서 부피가 일정할 때 비활성 기체를 넣어 전체 압력이 높아져도 반응 기체의 농도와 부분 압력은 변하지 않아 평형이 이동하지 않는다.

압력이 일정한 조건에서는 상황이 다르다. 비활성 기체를 넣어도 압력을 일정하게 유지하려면 용기의 부피가 커져야 한다. 같은 온도에서 반응 기체의 몰수가 그대로여도 더 큰 부피에 퍼지므로 각 성분의 몰농도와 부분 압력은 감소한다. 압력이 일정한 상태에서 비활성 기체를 넣으면 전체 부피가 커지고 각 성분의 몰농도가 감소한다. 압력과 온도가 일정한 상태에서 부피가 커지면 부분 압력이 낮아져 용해된 기체의 몰농도도 감소한다. 반응 기체의 부분 압력이 감소하면 평형은 기체 분자 수가 많은 쪽으로 이동한다. 이 과정에서 반응식의 기체 몰수 변화에 따라 전체 기체 몰수와 부피도 달라질 수 있다. 따라서 ‘비활성 기체를 넣었으므로 압력이 증가한다’는 말만으로 이동 방향을 정하지 않는다. 먼저 부피가 고정되었는지 압력이 일정한지 확인한다.