[과학의 법칙] 오늘날 화학 공법의 필수! 르 샤틀리에 법칙 알아보기

안녕하세요, 블로그 지기입니다. 세상에는 많고 많은 과학의 법칙, 원리 그리고 공식이 존재합니다. 1884년, 프랑스 화학자 르 샤틀리에는 현대 화학 공법의 필수라고 하는 ‘화학 평형 이동의 법칙’을 밝혀냈는데요. 오늘은 르 샤틀리에의 평형 이동 원리에 관해 한 번 알아보겠습니다!

 

 

01

기초 화학 용어 짚고 가기

   

 

오늘의 주제인 ‘르 샤틀리에의 법칙’은 화학 반응과 깊은 연관이 있습니다. 따라서 본론에 들어가기 이전에, 화학 반응과 관련된 기본적인 용어들을 정리해보도록 하겠습니다.

먼저, ‘반응물’과 ‘생성물’이 있는데요. 화학 반응식에서 왼쪽에 표기되며 반응에 참여하는 물질을 ‘반응물’, 화학 반응식의 오른쪽에 위치하며 화학 반응 후 얻어지는 성분 분자를 ‘생성물’이라고 합니다.

‘가역반응’은 반응물과 생성물이 농도나 외부 조건에 따라 정반응과 역반응이 함께 일어나며 두 개의 물질 사이의 평형을 찾아가는 것을 뜻하는데요. 여기서 ‘정반응’은 화학 반응이 반응물에서 생성물로 가는 것을 뜻하고, ‘역반응’은 그 반대로 생성물이 화학 반응을 통해 반응물로 되돌아가는 것을 의미합니다. 즉, 화학 반응식에서 오른쪽으로 진행되는 것은 정반응(→), 오른쪽에서 왼쪽으로 진행되는 것을 역반응(←)이라고 합니다.

 

 

02

화학 평형 상태와 르 샤틀리에의 법칙

  

 

앞서 알아본 가역반응에서는 정반응과 역반응, 두 반응이 모두 일어날 수 있습니다. 반응물과 생성물의 양에 따라 정반응과 역반응의 속도가 달라지는데요. 화학 평형 상태는 반응 물질과 생성 물질의 농도 혹은 조건이 일정하여 정반응 속도와 역반응 속도가 같은 상태를 의미합니다. 화학 평형 상태에서도 정반응과 역반응은 지속해서 진행되고 있지만, 이 둘의 속도가 같아 외적으로 아무런 변화가 없는 것처럼 보입니다.

이번 과학의 법칙 주인공인 ‘르 샤틀리에 법칙’은 화학 평형 상태와 깊은 연관이 있습니다. 르 샤틀리에 법칙은 ‘평형 이동 원리’라고도 불리는데요. 화학 평형 상태에서 물질의 농도와 압력, 온도와 같이 조건을 바꾸었을 때 그 조건의 변화 효과를 없애기 위하여 평형상태가 이동하는 원리입니다.

 

※르 샤틀리에의 법칙은!
화학 평형 상태에서 온도, 압력, 농도 등의 조건을 바꾸면, 그 변화 효과를 없애는 방향으로 화학 평형이 이동한다.

 

03

르 샤틀리에의 법칙은 청개구리 같다?

   

 

아직은 르 샤틀리에의 법칙이 무엇인지 도통 감이 오지 않으실 겁니다. 확실한 이해를 위해 더욱 쉽게 설명해 드리겠습니다.

르 샤틀리에의 평형 이동 원리는 화학 평형에 영향을 주는 법칙입니다. 쉽게 말하면 가해진 조건의 효과를 없애는 방향으로 화학 평형이 이동하는 것이죠. 즉, 르 샤틀리에의 법칙은 가해진 조건의 반대로 이동하는, 많아지면 적어지고 적어지면 많아지는 청개구리 같은 법칙입니다.

예를 들어보겠습니다. 만약, 어떤 기체가 평형상태를 이루고 있을 때, 외부에서 압력을 높인다면, 반응은 어떻게 변할까요? 외부에서 가해지는 압력의 영향을 줄이기 위해, 기체 분자 수가 적어지는 쪽으로 화학평형이 이동합니다. 반대로, 외부에서 전해지는 압력이 낮아지면, 기체 분자 수가 늘어나는 쪽으로 화학평형이 이동해 외부의 변화와 내부 압력의 균형을 맞추게 됩니다. 

 

 

04

르 샤틀리에 법칙으로 암모니아 합성 쉽게 하기

   

 

르 샤틀리에 법칙, 조금 이해되셨나요? 외부의 온도를 변화시키는 것도 르 샤틀리에 법칙이 적용되는데요. 공업에서 아주 중요한 기초 재료인 암모니아를 만드는 공정을 통해 설명해보겠습니다.

암모니아는 수소와 질소를 넣은 용기에 촉매를 더해 고온 고압 상태에서 얻을 수 있는데요. 이때 그 용기 속은 다음과 같은 화학 평형 상태가 됩니다.

(1) N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃

왼쪽에서 오른쪽으로 향하는 화학 반응은 발열 반응인데요. 열의 이동까지 포함한 화학식은 아래와 같습니다.

(2) N₂ + 3H₂ ⇄  2NH₃ + 92.2kJ

이 식에서 암모니아 생성 반응은 발열 반응이기 때문에, 반응할 때 온도를 낮춰주면, 열을 더 많이 만드는 반응이 더 빨라지게 되는데요. 즉, 르 샤틀리에 법칙에 따라 (1) 식의 평형상태가 오른쪽으로 기울어, 생성물인 암모니아가 더 많아지는 정반응 속도가 역반응 속도보다 더 빠르게 화학 평형이 맞춰집니다. 다만, 낮은 온도일 때는 반응 속도 자체가 느려지겠죠? 그래서 산화철(Fe3O4)을 촉매로 사용해 반응속도를 빠르게 해준답니다.


오늘은 과학 법칙계의 청개구리, 르 샤틀리에의 평형 이동 원리를 알아보며 이와 관련된 용어들을 정리해보는 시간을 가졌는데, 어떠셨나요? 세상은 넓고 우리가 알아가야 할 과학의 법칙이 정말 많은 것 같네요. 다음에는 더욱 흥미롭고 유익한 콘텐츠로 돌아오겠습니다!

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종합 케미칼 & 에너지 리더,

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