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Chemical energetics · ⁨화학적 열역학⁩

IGCSE Chemistry · ⁨IGCSE 화학⁩ · Topic 5 · ⁨주제 5⁩

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5:51

열역학

반응 막대를 부러뜨리면 불이 켜집니다. 손난로를 잡으면 따뜻해집니다. 즉석 냉팩을 열면 얼음처럼 차가워집니다. 모든 경우, 화학 반응은…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨영어 내레이션 · 영어 + 중국어 자막 burned-in⁩

5.1

Exothermic and endothermic reactions · ⁨발열 반응과 흡열 반응⁩

Syllabus
English
Core Supplement
1 State that an exothermic reaction transfers thermal energy to the surroundings leading to an increase in the temperature of the surroundings 4 State that the transfer of thermal energy during a reaction is called the enthalpy change, $\Delta H$, of the reaction. $\Delta H$ is negative for exothermic reactions and positive for endothermic reactions
2 State that an endothermic reaction takes in thermal energy from the surroundings leading to a decrease in the temperature of the surroundings
5 Define activation energy, $E_a$, as the minimum energy that colliding particles must have to react
3 Interpret reaction pathway diagrams showing exothermic and endothermic reactions 6 Draw and label reaction pathway diagrams for exothermic and endothermic reactions using information provided, to include: (a) reactants (b) products (c) enthalpy change of the reaction, $\Delta H$ (d) activation energy, $E_a$
7 State that bond breaking is an endothermic process and bond making is an exothermic process and explain the enthalpy change of a reaction in terms of bond breaking and bond making
8 Calculate the enthalpy change of a reaction using bond energies
한국어
핵심 보충
1 발열 반응이 열 에너지를 주변 환경으로 전달하여环境温度 상승을 일으킴을 서술한다. 4 반응 중 열 에너지의 전달을 해당 반응의 엔탈피 변화, $\Delta H$,라고 한다. $\Delta H$는 발열 반응에서 음수이고 흡열 반응에서 양수이다.
2 흡열 반응이 주위 환경으로부터 열 에너지를 흡수하여 주위의 온도가 감소함을 밝힘
5 충돌하는 입자가 반응하기 위해 가져야 하는 최소 에너지를 활성화 에너지, $E_a$,로 정의한다
3 발열 반응과 흡열 반응을 나타내는 반응 경로 도해를 해석한다. 6 제공된 정보를 사용하여 발열 반응과 흡열 반응에 대한 반응 경로 도해를 그리고 표시한다: (a) 반응물, (b) 생성물, (c) 반응의 엔탈피 변화, $\Delta H$, (d) 활성화 에너지, $E_a$
7 결합 끊기기는 흡열 과정이며 결합 형성은 발열 과정임을 명시하고, 반응의 엔탈피 변화를 결합 끊기와 형성 관점에서 설명한다
8 결합 에너지를 사용하여 반응의 엔탈피 변화를 계산한다

Source: Cambridge International syllabus · ⁨출처: Cambridge International syllabus⁩

English
Reaction profile: exothermic energy change

In every chemical reaction, energy is transferred. The reaction is either exothermic or endothermic, depending on which way the energy moves.

  • An exothermic reaction 放热反应 gives out thermal energy 热能 to the surroundings 环境. So the temperature of the surroundings goes up.
  • An endothermic reaction 吸热反应 takes in thermal energy from the surroundings. So the temperature of the surroundings goes down.

Examples of exothermic reactions are combustion 燃烧 (burning a fuel) and neutralisation 中和 (an acid reacting with an alkali). An example of an endothermic reaction is the thermal decomposition 分解 of a compound (breaking it down using heat).

한국어
반응 프로파일: 발열 에너지 변화
营불타는 나무의 모습
나무를 태우는 것은 발열 반응이며, 주변 환경으로 열을 방출합니다.

모든 화학 반응에서 에너지가 이동합니다. 에너지의 흐름 방향에 따라 반응은 발열 또는 흡열 반응이 됩니다.

  • 발열 반응은 주변 환경으로 열에너지를 방출하므로, 주변 환경의 온도가 오릅니다.
  • 흡열 반응은 주변 환경으로부터 열에너지를 흡수하므로, 주변 환경의 온도가 내립니다.

발열 반응의 예로는 연소(연료 연소)와 중화(산과 염기의 반응)가 있습니다. 흡열 반응의 예로는 화합물의 열적 분해(열을 사용하여 분해하는 과정)가 있습니다.

두 개의 온도계: 발열 반응에서는读数가 오르고, 흡열 반응에서는读数가 떨어짐
발열 반응은 주변을 따뜻하게 하고, 흡열 반응은 주변을 차갑게 합니다
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Exothermic & endothermic · ⁨발열 & 흡열⁩

ΔH = products − reactants · ⁨ΔH = 생성물 − 시약⁩

Exothermic drops to lower-energy products (releases heat); endothermic climbs to higher. · ⁨발열 반응은 저에너지 생성물로 떨어지며(열 방출); 흡열 반응은 고에너지 쪽으로 상승한다.⁩

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English 한국어
exothermic reaction/eɡzəˈðɜːmɪk rɪˈækʃn/ 발열 반응
thermal energy/ˈθɜːml ˈenədʒi/ 열에너지
surroundings/səˈraʊndɪŋz/ 주위 환경
endothermic reaction/ˌendəʊˈθɜːmɪk rɪˈækʃn/ 흡열 반응
combustion/kəmˈbʌstʃn/ 연소
neutralisation/ˌnjuːtrəlaɪˈzeɪʃn/ 중화 반응
decomposition/ˌdiːkɒmpəˈzɪʃn/ 분해
enthalpy change/enˈθælpi tʃeɪndʒ/ 엔탈피 변화
activation energy/ˌæktɪˈveɪʃn ˈenədʒi/ 활성화 에너지
colliding/kəˈlaɪdɪŋ/ 충돌하는
particles/ˈpɑːtɪklz/ 입자
reaction pathway diagram/rɪˈækʃn ˈpæθweɪ ˈdaɪəɡræm/ 반응 경로 도표
reactants/rɪˈæktənts/ 반응물
products/ˈprɒdʌkts/ 생성물
bond breaking/bɒnd ˈbreɪkɪŋ/ 결합 단열
bond making/bɒnd ˈmeɪkɪŋ/ 결합 형성
5.1

Enthalpy change, ΔH · ⁨엔탈피 변화, ΔH⁩

English

The amount of thermal energy transferred in a reaction is called the enthalpy change 焓变. It is written as $\Delta H$ and has these signs:

  • $\Delta H$ is negative for an exothermic reaction, because energy leaves the chemicals.
  • $\Delta H$ is positive for an endothermic reaction, because energy is taken in.
한국어

반응에서 이동한 열에너지의 양을 엔탈피 변화라고 합니다. 기호는 $\Delta H$이며 다음과 같은 부호를 가집니다:

  • $\Delta H$는 발열 반응에서 음수(-) 입니다. 화학 물질에서 에너지가 빠져나가기 때문입니다.
  • $\Delta H$는 흡열 반응에서 양수(+) 입니다. 에너지가 흡수되기 때문입니다.
번젠 불꽃이 에너지를 공급함: 엔탈피 변화 ΔH는 일정 압력에서의 열 이동량
번젠 불꽃이 에너지를 공급함: 엔탈피 변화 ΔH는 일정 압력에서의 열 이동량
5.1

Activation energy · ⁨활성화 에너지⁩

English

Particles do not react every time they meet. The activation energy 活化能 ($E_a$) is the smallest amount of energy that colliding 碰撞 particles 粒子 must have before they can react. It is like a hill the particles must get over before the reaction can happen.

한국어

입자가 만나면 매번 반응하지 않습니다. 활성화 에너지($E_a$)는 입자가 반응하기 전에 충돌할 수 있는 최소한의 에너지량입니다. 이는 입자가 반응이 일어나기 전에 넘어야 할 '산'과 같습니다.

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Activation energy · ⁨활성화 에너지⁩

Ea = the energy barrier · ⁨Ea = 에너지 장벽⁩

Every reaction must climb the activation-energy barrier before products can form. · ⁨모든 반응은 생성물이 형성되기 전에 반드시 활성화 에너지 장벽을 넘어야 한다.⁩

5.1

Reaction pathway diagrams · ⁨반응 경로도⁩

English

A reaction pathway diagram 反应进程图 shows how the energy changes as a reaction happens. Energy is on the vertical axis, and the progress of the reaction is on the horizontal axis.

  • The line starts at the energy level of the reactants 反应物.
  • It rises over a 'hill' — the height of this hill is the activation energy $E_a$.
  • It then falls or rises to the energy level of the products 生成物.
  • The gap between the reactant level and the product level is the enthalpy change $\Delta H$.

For an exothermic reaction, the products are lower than the reactants, so energy is given out and $\Delta H$ is negative.

For an endothermic reaction, the products are higher than the reactants, so energy is taken in and $\Delta H$ is positive.

한국어

반응 경로도는 반응이 진행됨에 따라 에너지가 어떻게 변하는지를 보여줍니다. 세로축에는 에너지가, 가로축에는 반응의 진행 상황이 표시됩니다.

  • 선은 시약의 에너지 준위에서 시작됩니다.
  • '산' 위를 올라갑니다. 이 산의 높이가 활성화 에너지 $E_a$입니다.
  • 이후 생성물의 에너지 준위로 내려가거나 올라갑니다.
  • 시약 수준과 생성물 수준 사이의 차이는 엔탈피 변화 $\Delta H$입니다.

발열 반응의 경우, 생성물이 시약보다 낮으므로 에너지가 방출되며 $\Delta H$은 음수입니다.

흡열 반응의 경우, 생성물이 시약보다 높으므로 에너지가 흡수되며 $\Delta H$은 양수입니다.

두 가지 반응 경로도: 생성물이 시약 아래인 발열 반응도와 생성물이 시약 위에 있는 흡열 반응도
발열 반응은 시작점보다 아래에서 끝남($\Delta H<0$); 흡열 반응은 위쪽에서 끝남($\Delta H>0$)
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Reaction pathway diagrams · ⁨반응 경로 도표⁩

Drag ΔH and the activation energy. Exothermic releases energy; endothermic takes it in; the hump is the energy barrier. · ⁨ΔH와 활성화 에너지를 드래그하십시오. 발열 반응은 에너지를 방출하고, 흡열 반응은 에너지를 흡수하며, 돌출部分是能量壁垒。⁩

5.1

Bonds and energy · ⁨결합과 에너지⁩

English

A reaction involves breaking the bonds in the reactants and making new bonds in the products.

  • Bond breaking 断键 takes in energy, so it is an endothermic step.
  • Bond making 成键 gives out energy, so it is an exothermic step.

The bond energy 键能 is the energy needed to break one mole of a particular bond. You can use bond energies to find the enthalpy change:

$$\Delta H = (\text{energy to break all bonds}) - (\text{energy released making all bonds})$$

If more energy is given out making bonds than is taken in breaking bonds, the reaction is exothermic ($\Delta H$ negative). If less energy is given out, it is endothermic ($\Delta H$ positive).

Worked example

For the reaction $\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}$, use these bond energies (in kJ/mol): H–H $= 436$, Cl–Cl $= 242$, H–Cl $= 431$.

Bonds broken: one H–H and one Cl–Cl $= 436 + 242 = 678$.

Bonds made: two H–Cl $= 2 \times 431 = 862$.

$$\Delta H = 678 - 862 = -184 \text{ kJ/mol}$$

The answer is negative, so this reaction is exothermic.

한국어
파란색 불꽃을 내는 번젠 버너
결합의 끊김과 형성은 에너지를 이동시키며, 여기서는 불꽃이 그 에너지를 공급합니다.

반응은 시약의 결합을 끊고 생성물의 새로운 결합을 형성하는 과정을 포함합니다.

  • 결합 끊기는 에너지를 흡수하므로 흡열 단계입니다.
  • 결합 형성은 에너지를 방출하므로 발열 단계입니다.

결합 에너지는 특정 결합 1몰을 끊는 데 필요한 에너지입니다. 결합 에너지를 사용하여 엔탈피 변화를 구할 수 있습니다:

$$\Delta H = (\text{energy to break all bonds}) - (\text{energy released making all bonds})$$

결합 형성 시 방출되는 에너지가 결합 끊기 시 흡수되는 에너지보다 많으면 반응은 발열($\Delta H$ 음수)입니다. 반대로 더 적으면 흡열($\Delta H$ 양수)입니다.

풀이 예제

반응 $\text{H}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{HCl}$에 대해 다음 결합 에너지를 사용하십시오(kJ/mol): H–H $= 436$, Cl–Cl $= 242$, H–Cl $= 431$.

끊어진 결합: H–H 하나와 Cl–Cl 하나 $= 436 + 242 = 678$.

형성된 결합: H–Cl 두 개 $= 2 \times 431 = 862$.

$$\Delta H = 678 - 862 = -184 \text{ kJ/mol}$$

정답이 음수이므로, 이 반응은 발열 반응입니다.

수소와 염소가 합하여 염화수소를 만드는 에너지 준위도: 결합을 끊기 위해 상승하고, 결합을 형성하기 위해 더 크게 하강하여 시작점보다 아래에서 끝남
결합을 끊기는 데 에너지를 흡수함($+678$); 결합을 형성하면 더 많은 에너지를 방출함($-862$); 따라서 $\Delta H = -184$ kJ/mol
Vocabulary · ⁨어휘⁩ Train · ⁨연습하기⁩
English 한국어
bond energy/bɒnd ˈenədʒi/ 결합 에너지
5.1

Exam tips · ⁨시험 팁⁩

English
  • Exothermic gives out heat, so the surroundings warm up and $\Delta H$ is negative; endothermic takes in heat, so the surroundings cool and $\Delta H$ is positive.
  • Bond breaking takes energy in (endothermic); bond making gives energy out (exothermic). Use $\Delta H = (\text{energy to break bonds}) - (\text{energy released making bonds})$.
  • If more energy is released making bonds than is used breaking them, the reaction is exothermic. Always check the sign of your final answer.
  • On a reaction pathway diagram, an exothermic reaction ends lower than it starts; an endothermic one ends higher. The height of the hill is the activation energy.
한국어
  • 발열은 열을 방출하므로 주변이 따뜻해지고 $\Delta H$은 음수; 흡열은 열을 흡수하므로 주변이 차가워지고 $\Delta H$은 양수입니다.
  • 결합 끊기는 에너지를 흡수함(흡열); 결합 형성은 에너지를 방출함(발열). $\Delta H = (\text{energy to break bonds}) - (\text{energy released making bonds})$을 사용하십시오.
  • 결합 형성 시 방출되는 에너지가 결합 끊기 시 소모되는 에너지보다 많으면 반응은 발열입니다. 항상 최종 답의 부호를 확인하십시오.
  • 반응 경로도에서 발열 반응은 시작점보다 낮게 끝나는 반면, 흡열 반응은 높게 끝난다. 산의 높이는 활성화 에너지이다.

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