평형상수
[ equilibrium constant , 平衡常數 ]
- 요약
가역적인 화학반응이 특정온도에서 평형을 이루고 있을 때, 반응물과 생성물의 농도관계를 나타낸 상수이며 반응물 및 생성물의 초기농도에 관계없이 항상 같은 값을 지닌다. 이 값이 크면 평형에서 생성물이 반응물보다 더 많이 존재함을 의미한다.
평형상수는 화학 평형의 법칙으로부터 유도된 것으로 생성물의 몰농도 곱과 반응물의 몰농도 곱의 비이다. 평형상수가 크면 정반응이 활발하여 생성물질이 많이 존재하는것이고 화학 반응식의 계수가 변하면 평형 상수값도 변한다. 평형상수는 온도만의 함수로서 압력이나 농도에는 영향을 받지 않는다.
반응물 A와 B가 반응하여 생성물 C와 D를 생성하는 가역적 반응에 대한 화학 반응식은 다음과 같다.
이러한 가역반응은 일정한 온도에서 시간이 충분히 흐르면 반응물이나 생성물의 초기농도에 관계없이 더 이상 겉보기 농도에 변화가 없는 상태에 이르게 되는데 이를 평형상태라 한다. 이러한 평형상태에서 반응물과 생성물의 농도비는 일정하며, 이 값 Kc를 평형상수라 한다. 아래첨자 c는 농도(concentration)의 약자이다. 가역적 반응에 대한 화학 반응식은 다음과 같다.
[A], [B], [C], [D]는 A, B, C, D의 평형에서의 몰농도이다. 이를 질량작용의 법칙(law of mass action)이라 하며 1864년 노르웨이의 굴트베르크(C. M. Gouldberg)와 보게(P. Waage)에 의해 제안되었다. 하지만 보다 엄밀하게는 묽은 용액, 즉 활동도계수가 1인 용액에 대해서만 성립한다. 따라서 정확하게는 몰농도 대신 활동도를 사용해야 한다.
반응물이 기체인 경우, 농도 대신 기압 단위의 부분압력을 사용한다.
pA, pB, pC, pD는 각 성분 기체의 부분압이며, Kp는 압력평형상수라고 한다. 이 경우도 역시 이상기체에 가까운 기체인 경우에만 성립한다.
평형상수는 실험적으로 결정하며 화학평형식에 따라 단위는 달라진다. 그러나 관례적으로 평형 상수의 단위를 생략한다. 값은 온도에 따라 변하며 화학식의 계수에 의존한다.