이 실험 소개
옅은 색의 N₂O₄와 갈색 NO₂ 사이의 가역 기체 반응을 살펴보세요. 이 흡열 모델에서는 가열하면 해리가 촉진되고, 압축하면 기체 분자 수가 더 적은 쪽으로 평형이 이동합니다. 두 반응 속도를 비교해 보세요. 동적 평형에서는 두 반응이 계속 진행되지만 반응 속도는 같아집니다. 매개변수를 변경할 때마다 선택한 초기량으로 새로운 실행이 시작됩니다.
학습 목표
- 동적 평형과 반응이 멈춘 상태를 구별하기
- 온도, 부피 및 초기 농도가 평형 조성에 미치는 영향을 예측하기
- 평형 농도 지수로 정반응 속도와 역반응 속도가 같아지는 관계를 연결합니다
- 온도와 부피 변화에 르샤틀리에 원리를 적용하기
- 부피를 바꿔도 Kc는 변하지 않지만 평형량은 변하는 이유 설명하기
사용 방법
- 1298 K, 1 L에서 두 속도 표시값이 같아질 때까지 실행합니다. 두 농도를 비교합니다.
- 2온도를 350 K로 올리고 새 실행을 시작한 다음, 최종 갈색 NO₂ 농도와 Kc를 비교하세요.
- 3온도를 일정하게 유지하면서 부피를 줄이고 최종 물질량, 농도 및 압력을 비교합니다.
- 4‘초기 NO₂ 양’ 슬라이더로 초기 NO₂를 추가하고 초기 역반응 속도와 평형에 도달하는 과정을 살펴보세요.
- 5부피를 5 L로 설정하고 1 L인 경우와 비교하여 평형에 도달하는 데 걸리는 시간을 확인하세요.
모델
가정
- 기체는 이상 기체이며 잘 혼합되어 있고, 각 실행 중 균일한 고정 온도와 부피를 유지합니다.
- 선택한 설명용 매개변수는 298 K에서 Kc = 0.006 mol/L, 반응 엔탈피 57 kJ/mol, 역반응 속도 상수 5 L/(mol s)입니다. 이는 설명을 위한 값이며, 실험 데이터에 맞춰 추정한 값이 아닙니다.
- 역반응 속도 상수는 고정되어 있고, 정반응 속도 상수는 kr × Kc입니다. 해석해에서는 NO₂ 환산량이 정확히 보존됩니다.
- 각 실행은 N₂O₄ 0.10 mol과 선택한 양의 NO₂로 시작합니다. 입자 아이콘은 화학종을 나타내며, 원자의 정확한 구조를 표현하지는 않습니다.
수업에서 해 보기
- Q1이 모델에서는 온도가 오를수록 왜 갈색 기체의 양이 늘어나나요?
- Q2압축하면 최종 NO₂ 농도가 반드시 감소할까요? 아니면 물질의 양과 농도가 서로 다르게 변할 수도 있을까요?
- Q3평형 상태에서는 순농도 변화가 0인데도 왜 양방향 반응 속도가 모두 양수일 수 있나요?
- Q4갈색 기체가 든 밀폐 플라스크를 얼음물에 넣으면 색은 어떻게 변하며, 그 이유는 무엇일까요?
- Q5촉매는 두 반응을 똑같이 빠르게 합니다. 최종 농도도 달라질까요?
자주 묻는 질문
부피를 바꾸면 Kc도 바뀌나요?
온도가 일정하면 바뀌지 않습니다. 부피가 바뀌면 농도가 변하고, 그에 따라 평형에서의 양이 달라집니다. 선택한 열역학 모델에서 Kc는 온도에 따라 변합니다.
가열하면 왜 시간 0부터 새로운 곡선이 만들어지나요?
대조 실험은 선택한 초기량을 사용해 서로 분리된 닫힌계 실험을 비교합니다. 한 번의 연속 실험에서 온도를 서서히 올리거나 피스톤으로 압축하는 과정을 시뮬레이션하지 않습니다.
예시로 N₂O₄와 NO₂를 사용하는 이유는 무엇인가요?
NO₂는 갈색이고 N₂O₄는 거의 무색이기 때문에 교실에서 자주 활용되는 고전적인 시범 실험입니다. 기체 혼합물이 든 밀폐관을 뜨거운 물에 넣으면 눈에 띄게 어두워지고 얼음물에 넣으면 옅어져, 평형 이동을 쉽게 관찰할 수 있습니다.