베이루트 폭발 사고 3 (깁스 방정식)

지난 시간에 이어 베이루트 폭발사고와 관련한 화학에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

지난번 내용이 궁금하신 분들은 아래의 링크를 통해서 확인 하시면 됩니다.

 

2021/01/31 - [화학을 배웁니다/생활속의 화학] - 베이루트 폭발 사고 1 (질산 암모늄의 이해)

베이루트 폭발 사고 1 (질산 암모늄의 이해)

2021/02/15 - [화학을 배웁니다/생활속의 화학] - 베이루트 폭발 사고 2 (샤를의 법칙)

베이루트 폭발 사고 2 (샤를의 법칙)

 

지난시간에 말씀 드린 대로 이번시간에는 질산 암모늄의 폭발을 왜 runaway반응이라 불리는지에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 

먼저 깁스 방정식에 대해서 알려드리겠습니다.

 

 

깁스 방정식

 

ΔG = ΔH -TΔS라는 아주 간단한 식입니다. 

G는 깁스에너지, H는 엔탈피, 그리고  S는 엔트로피를 의미합니다. 

각 글자 앞에 있는 삼각형은 델타라고 읽으며 변화된 값의 정도를 말합니다.

가령 반응이 a → b 로 이루어 지며 각 요소의 깁스 에너지가 Ga 와 Gb라고 해보겠습니다.

그렇다면 ΔG = Gb - Ga 이고 여기서 ΔG는 두 개의 깁스에너지의 변화 값을 보여주고 있지요.

아! 변화값은 언제나 생성물(product)에서 반응물(reactant)를 뺀 값입니다.

 

여기서 잠시 흡열반응과 발열반응에 대해서 짚고 넘어가겠습니다.

흡열반응이란 반응이 진행되면서 열을 흡수하는 반응이고 

발열반응이란 반응이 진행되면서 열이 발생하는 반응입니다.

 

아래의 그림을 보시면 더 쉽게 이해가 되실 것입니다.

 

흡열반응에서는 반응물이 생성물로 변하면서 ΔH 만큼의 에너지를 외부로부터 얻게 됩니다.

그래서 흡열반응이 일어나고 있는 플라스크를 손으로 만지면 손에서 열을 잃고 차갑게 느껴지지요.

흡열 반응에서는 생성물의 깁스에너지가 반응물의 깁스에너지보다 높기 때문에 ΔH는 양수가 됩니다. 

가령 생성물의 깁스에너지가 10, 반응물의 깁스에너지가 5인 경우 ΔH 는 +5가 됩니다. 

 

반대로 발열반응에서는 반응물이 생성물로 변하면서 ΔH 만큼의 에너지를 외부로 내보내게 됩니다.

그래서 발열반응이 일어나고 있는 플라스크를 만지면 반응이 열을 내뿜기 때문에 뜨겁게 느껴지지요.

발열 반응에서는 생성물의 깁스에너지가 반응물의 깁스에너지보다 낮기 때문에 ΔH는 음수가 됩니다. 

가령 생성물의 깁스에너지가 5, 반응물의 깁스에너지가 10인 경우 ΔH 는 -5가 됩니다. 

 

이렇게 측정된 ΔH와 ΔS의 값을 깁스방정식 ΔG = ΔH -TΔS에 대입하면 ΔG의 값이 도출 됩니다.

그런데 여기서 

ΔG의 값이 음수인 경우를 특별히 자발적 반응이라 부르고

ΔG의 값이 양수인 경우를 비자발적인 반응이라고 부릅니다.

 

 

후아ㅠㅠ 엄청 복잡합니다 그쵸?

이제 깁스방정식에 대해서는 여기까지만 다루도록 하겠습니다. 나중에 한번 따로 깁스방정식에 대해서만 다시 알아보는 시간을 갖도록 하겠습니다. 

 

 

이제 드디어 베이루트 폭발 사고를 이해하기 위한 기본적인 공부는 끝났습니다.
이제 궁금증을 한번 풀어나가 볼까요?

 

 

 

 

 

베이루트 폭발은 왜 runaway반응일까?

 

runaway반응에 대해서는 지지난 시간에 설명하였으니 가볍게 넘어가는 것으로 하겠습니다.

그렇다면 질산 암모늄 폭발 반응식과 깁스 방정식에 사용될 표부터 먼저 투척(?)해 드리고 시작하겠습니다.

 

 

 

자 먼저 ΔH와 ΔS를 구해보도록 하겠습니다.

계산에서는 단위가 중요한데 티스토리에서는 윗첨자를 제공하지 않아 사진으로 설명드려 볼게요.

위에서 배운 바에 의하면 ΔH가 음수이므로 질산암모늄 폭발 반응은 발열반응임을 단번에 알아채셨을 것입니다. 

 

 

그럼 이제 온도가 300K일 경우와 500K일 경우에 ΔG 가 어떻게 달라지는지 살펴 보겠습니다.

 

자, 300K일때와 500K일때 모두 ΔG의 값이 음의 값임을 알수 있습니다. 앞에서 ΔG가 음의 값이면 뭐라고 했었지요? 바로 자발적반응입니다.

어? 그런데 온도가 올라갈 수록 ΔG가 더 음의 값이 됨을 알 수 있습니다. 

 

결론적으로 폭발이 시작되면 온도가 올라가고, 온도가 올라갈 수록 반응은 더욱 자발적이 되어 멈출 수가 없게 되는 것이지요. 

 

 

오늘 베이루트 폭발 사고를 통해 정말 많은 화학 지식을 배울 수 있었습니다.

화학은 정말 재미있고 즐거운 학문입니다. 하지만 자칫 잘못 하다가는 큰 사고를 일으킬 수 있다는 점!

늘 유의하시기 바랍니다.

 

 

 

이상 화학 발전소였습니다.

 

 

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