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BGM 정보 : The Jam - Slynk & Mr Stabalina
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[영상 마지막 질문 해설]
정답 : 실린더는 압력이 높아지는(기체 분자수가 증가하는) 역반응이 우세하도록 평형이동, 강철용기는 평형이동 없음
우선 실린더의 경우, 실린더가 잠겨있는 것이 아니라면 비활성 기체를 넣어준만큼 실린더 내부의 부피가 증가할겁니다. 이렇게 된 경우 아까 실린더를 잡아당겨 부피를 증가시킨 예시처럼 내부 압력이 낮아지는 것은 아닙니다. 실린더라는 실험장치는 내부와 외부압력을 동일하게 유지시켜주는 장치이기 때문에, 비활성기체를 넣기 전과 후 모두 외부압력과 동일한 내부 압력을 가지게 되죠. 하지만 화학 반응에 참여하는 질소, 수소, 암모니아 기체 각각을 봤을 때, 이 기체들이 원래 유지하고 있던 압력과는 변화가 생기게 됩니다. 간단히 이 현상을 부분압력이라는 개념을 써서 설명하면 이렇게 됩니다.
“기체 부피가 증가하여 내부 기체 각각의 부분압력이 감소한다. → 기체들의 부분압력을 증가시키기 위해 기체수가 증가하도록 평형이 이동한다.”
부분압력에 대한 개념을 모르시는 분들을 위해 간단히 설명해보면, 기체의 부피는 기체가 담겨있는 용기나 공간의 부피와 동일하다는 것은 아실겁니다. 영상 속 압력 변화의 예시처럼 우리가 실린더를 잡아당겨서 강제로 부피를 크게 조절해주는 것은 기체가 활동할 공간을 늘려주는 역할을 하게 되는 것인데, 이렇게 되면 기존에 있던 질소와 수소, 암모니아 기체들이 활동할 수 있는 공간이 강제로 넓어지는 것과 같죠. 즉, 동일한 수의 기체 입자들이 더 넓은 공간을 차지하게 된다는 말이고, 때문에 기체 각각이 느끼는 자유로움이 변화한다는 뜻과 같습니다. 때문에 이 자유로움의 변화를 없애기 위해 평형이 이동한다고 생각하시면 됩니다. (비활성 기체 첨가라는 변화가 영상 속 압력 감소의 경우와 동일한 역할을 해준다고 이해하시면 편합니다.)
하지만 강철용기의 경우, 내부의 압력은 기체 입자수에 따라 얼마든지 변할 수 있지만 부피가 일정하게 유지되는 환경입니다. 여기서 비활성 기체를 넣어주면 내부에 있는 전체 기체의 입자수가 증가해서 내부 압력은 이전보다 증가하겠지만, 여기서 우리가 꼭 알아야 할 기체들의 특성이 있습니다. 바로 기체 입자들은 서로 반응하는 물질이 아닌 이상, 서로간의 운동에 영향을 주지 않는다는 것이죠. 즉 비활성 기체를 추가해서 전체 내부 압력이 증가하는 것은 그저 전체 입자가 증가했기 때문이고, 추가된 비활성 기체가 있던 없던 기존에 있던 수소, 질소, 암모니아 기체 입자들이 돌아다니는 공간의 크기(부피)는 변한 것이 없습니다. 이를 부분압력 개념으로 표현하면 다음과 같죠.
“헬륨을 추가해도 강철용기 부피는 변화하지 않으므로 기체 각각의 부분압력은 변화가 없다. → 기존의 평형이 유지된다.”
따라서 기존 입자들이 느끼던 환경과는 전혀 변한 것이 없으므로 강철용기에서는 평형이동이 일어나지 않습니다.
[수식적 설명]
1) 실린더 반응 전 압력(질소 부분압력+수소 부분압력+암모니아 부분압력)
= 실린더 반응 후 압력(질소 부분압력+수소 부분압력+암모니아 부분압력+헬륨 부분압력)
→ 실린더는 반응 전과 후 내부 압력이 동일해야 하니 헬륨이 가지는 부분압력만큼 나머지 질소, 수소, 암모니아의 부분압력이 감소함. 따라서 평형이동 O
2) 강철용기 반응 전 압력(질소 부분압력+수소 부분압력+암모니아 부분압력)보다 강철용기 반응 후 압력(질소 부분압력+수소 부분압력+암모니아 부분압력+헬륨 부분압력)이 더 큼
→ 강철용기에서는 반응 전보다 반응 후 내부 압력이 헬륨 부분압력만큼 증가하고, 나머지 기체들에 대한 부분압력은 동일함. 따라서 평형이동 X