홍라이프 계산기반응 지수 계산기 쉽게 이해하기 — 개념과 원리
이 계산기는 반응 혼합물의 현재 농도나 분압으로 반응 지수 Q를 구하고, 평형 상수 K와 비교해 반응이 어느 방향으로 진행할지 알려 줍니다. 추진력인 ΔG = RT ln(Q/K)도 보여 주어 일반화학과 물리화학의 평형 문제에 쓰입니다.
계산 방법
aA + bB ⇌ cC + dD에서 Q = [C]^c [D]^d ÷ ([A]^a [B]^b)
Q < K이면 정반응, Q > K이면 역반응, Q = K이면 평형
ΔG = RT ln(Q/K), R = 8.314462618J/(mol·K)
- 농도는 mol/L, 분압은 bar로 넣으며, 순수한 고체와 액체는 빼고(계수 0) 계산합니다.
원리
Q는 평형 상수와 모양이 같지만 지금 있는 양을 씁니다. 평형에서는 Q가 K와 같습니다. 평형보다 생성물이 적으면 Q가 K보다 작아 반응은 생성물을 더 만들고, 많으면 역반응이 일어납니다. 열역학적으로 ΔG = RT ln(Q/K)는 혼합물이 평형에서 얼마나 떨어져 있는지 나타내며, 음수이면 정반응이 자발적입니다.
예제 풀이
기본값인 H₂ + I₂ ⇌ 2HI, [H₂] = [I₂] = 0.10, [HI] = 0.50, K = 50, T = 721K로 계산합니다.
- Q = 0.50² ÷ (0.10 × 0.10) = 25, log₁₀ Q = 1.3979입니다.
- Q ÷ K = 25 ÷ 50 = 0.5입니다.
- Q < K이므로 정반응(생성물 쪽)으로 진행합니다.
- ΔG = 8.314 × 721 × ln 0.5 = −4.16kJ/mol입니다.
| 반응물 A의 계수 a | 반응 지수 Q |
|---|---|
| 0.25 | 4.446 |
| 0.5 | 7.906 |
| 0.75 | 14.06 |
| 1 | 25 |
| 1.25 | 44.46 |
| 1.5 | 79.06 |
| 2 | 250 |
결과 해석
Q/K가 1에서 멀수록 추진력이 큽니다. ΔG가 0에 가까우면 평형에 가깝습니다. Q는 방향만 알려 줄 뿐, 얼마나 빨리 평형에 도달할지는 알려 주지 않습니다. 반응이 진행되면 Q가 점점 K에 가까워지다가 같아지는 순간 알짜 변화가 멈춥니다.
흔한 실수
- 순수한 고체나 액체를 Q에 넣는 경우
- 농도에 계수만큼의 지수를 붙이지 않는 경우
- 다른 온도의 K를 쓰는 경우
- 농도와 분압을 한 식에 섞는 경우
자주 묻는 질문
Q와 K는 어떻게 다릅니까?
K는 평형에서의 양, Q는 현재의 양을 씁니다.
Q = 0은 무슨 뜻입니까?
생성물이 없으므로 반응은 정방향으로만 갈 수 있습니다.
ΔG가 Q에 달려 있는 이유는 무엇입니까?
자유 에너지 변화가 혼합물이 평형에서 얼마나 떨어져 있는지에 달려 있기 때문입니다.
Q로 반응 속도를 알 수 있습니까?
아닙니다. 방향만 알 수 있습니다.
온도가 바뀌면 어떻게 됩니까?
K가 온도에 따라 바뀌므로 같은 Q라도 진행 방향이 달라질 수 있습니다.
기체 반응에서는 무엇을 넣습니까?
농도 대신 bar 단위 분압을 넣을 수 있습니다. 이때 K도 분압 기준(Kp)이어야 하며, 농도 기준 K와 섞어 쓰면 안 됩니다.
기본값은 어떤 반응입니까?
약 448°C에서의 H₂ + I₂ ⇌ 2HI 반응입니다.
출처: OpenStax, Chemistry 2e (2019), section 13.2 "Equilibrium Constants" and section 16.4