화학 평형 계산기

대부분의 반응은 양쪽으로 동시에 진행됩니다. 순방향 분자들이 생성물로 합쳐지는 동안 생성물 분자들은 다시 쪼개지고, 두 속도가 정확히 상쇄되면 농도는 평형 값에서 얼어붙습니다 — 아무것도 멈춘 게 아니라 모든 변화가 일어나는 즉시 되돌려지기 때문입니다. 그 언 비율이 하나의 숫자, 평형 상수 K에 담깁니다. 생성물을 계수만큼 거듭제곱해 나눈 것을 반응물도 그렇게 한 것으로 나눈 값. 하버 반응 N₂ + 3H₂ = 2NH₃에서는 K_c = [NH₃]²/([N₂][H₂]³)입니다. K는 줄다리기 점수입니다. 1보다 훨씬 크면 생성물이 이기고, 훨씬 작으면 반응물이 이깁니다.

모든 것이 용해되어 있으면 K는 농도를 씁니다(K_c). 기체라면 분압도 됩니다(K_p). 둘은 다른 옷을 입은 같은 상수이며, K_p = K_c(RT)^Δn으로 연결됩니다. Δn은 생성물 쪽 기체 분자수에서 반응물 쪽을 뺀 값입니다. 하버 반응의 Δn = 2−4 = −2이므로 K_p는 K_c보다 훨씬 작습니다. K_c = 4.0, 500K에서 샘플은 K_p = 2.4×10⁻³을 계산합니다. 열역학은 반대쪽에서 고리를 닫습니다. ΔG° = −RT ln K이므로, 기브스 패널에서 ΔG° = −10 kJ/mol은 K ≈ 57(생성물 쪽)로 바뀝니다 — 작은 자유에너지 우위가 이미 큰 비입니다.

반응이 어디 착지할지 예측하려면 세 줄을 놓으세요. I 초기 농도, C ±계수·x의 변화, E 그 합의 평형. 그다음 x를 풉니다. ICE 샘플은 N₂ + 3H₂를 1.0과 3.0M에서 암모니아 없이, K_c = 4.0으로 시작합니다. 솔버는 x ≈ 0.65를 찾아, 평형에서 대략 0.35M N₂, 1.06M H₂, 1.29M NH₃가 공존합니다 — 그것들을 다시 대입하면 K_c = 4.0이 재현되며, 이것이 정확히 패널이 인쇄하는 검증입니다. 교과서는 5% 미만 반응 시 "x는 작다" 지름길을 허용하지만, 이 페이지는 대신 완전한 방정식을 이분법으로 풀므로 그런 가정이 필요 없습니다.

반응 상수 Q는 K의 공식을 평형 이전의 지금 이 순간 농도에 적용한 것입니다. 둘을 비교하면 방향이 나옵니다. Q < K면 순방향, Q > K면 역방향, Q = K면 이미 도착. Q 샘플은 극적인 사례입니다. K_c = 4.0인데 Q = 4×10⁴이면 혼합물은 생성물에 빠져 있고 반응은 세게 역방향으로 달립니다. Q는 화학자가 혼합물을 섣기 전에 방향을 예측하는 방법이고, 신체가 예컨대 헤모글로빈이 산소를 잡을지 놓을지 결정하는 방법이기도 합니다.

평형을 흔들면 흔들림을 덜기 위해 이동합니다. 반응물을 더하 → 일부를 먹고, 생성물을 빼면 → 더 만들고, 기체 혼합물을 압축하면 → 기체 분자가 적은 쪽으로 이동하고, 데우면 → 흡열 방향으로 이동합니다. 위의 핵심 상자에 숨은 단서에 주목하세요. 온도만이 K 자체를 바꾸는 응력이고(줄다리기 전체를 재채점), 압력과 농도는 위치만 다시 잡습니다. 촉매는 둘 다 바꾸지 않습니다 — 순방향과 역방향을 똑같이 빠르게 하므로, 평형에 더 빨리 도착할 뿐 정확히 같은 곳에 도착합니다. 하버 공정은 산업적 쇼케이스입니다. 기체 4분자가 2분자가 되므로 고압이 NH₃ 쪽으로 밀고, 온도는 수율과 속도를 맞바꿉니다.

• 평형이면 반응이 멈췄다. 양방향 모두 전속력으로 계속 달립니다. 순 변화만 0일 뿐입니다.
• 반응물을 더하면 K가 올라간다. 위치를 순방향으로 잠시 밀 뿐이고, 계는 같은 K로 돌아옵니다. 온도만이 K를 움직입니다.
• 촉매가 수율을 올린다. 평형에 도달하는 시간을 바꿀 뿐, 그 위치는 절대 바꾸지 않습니다. 산업 수율은 온도, 압력, 지속적인 생성물 제거로 움직입니다.
• 평형에서 반응물과 생성물 농도는 같다. 농도가 같다는 것은 K = 1이라는 뜻일 뿐입니다. 샘플의 K = 4.0은 생성물이 이미 네 배 선호되지만, 명백히 같지는 않습니다.

관련 도구: 산-염기 및 pH(Ka와 Kb는 평형 상수), 열화학(ΔG와 K가 오는 곳), 반응 속도론(평형 도달 속도를 정하는 속도들).