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저 역시 대학에서 평형상수에 대해 배운게 20년이 훌쩍 넘어 버렸네요.

질문 속에 설명이 다 있는듯 한데.... 학생들이 어떤 부분을 어려워 하는지 저로선 짐작하기 어렵지만 성심것 설명드려 볼까 합니다.

우선 화학평형을 논하기 위해선 화학반응 자체가 '가역반응' 이어야 합니다. 즉 정반응과 역반응이 동시 일어날 수 있는 상태죠.

화학적 '평형' 이라는 것이  화학반응 진행되면서 반응물과 생성물의 농도비가 일정하게 유지되는 상태, 즉 정반응 속도와 역반응 속도가 같은 상태를 뜻합니다. 생성물이 생성되는 만큼 생성물이 반응물로 분해되므로 겉으로 보기엔 둘 사이의 농도비가 일정하게 유지되는 것처럼 보이는 거죠.

즉 평형 상태에서 '반응물과 생성물의 농도비가 일정하다' 라는 말을 식으로 나타내면 평형상수 식이 됩니다. '상수' 라는 것이 일정한 값을 나타내는 수를 의미하니까요.

압력이나 온도 등 반응에 영향를 줄 수 있는 인자가 변하면 평형상수도 변하지만 이들 인자들이 일정하게 유지되면 일정한 값을 유지하게 됩니다.

예를 들어 일정한 조건(온도, 압력 등)에서 A + B --> C + D의 화학반응이 일어난다면 이 반응의 평형상수 K는 다음과 같습니다.

K = ([C]*[D])/([A]*[B])

사실에 부합하도록 화학반응 현상을 수식으로 나타낸 것이 평형상수식이 되겠습니다.

K가 일정한 값을 나타내므로 인위적으로 반응물 또는 생성물을 첨가하면 이들의 농도가 변화에 따라 평형이 이동하는 방향이 바뀌는 것을 이 식으로부터 유추 가능한 것도 이런 이유 입니다.

사실 앞서 언급한 내용은 질문하신 분이나 학생들 모두 입에서 술술 나올 정도로 외우고 있는 내용일 겁니다. 다만 수식에 너무 얽매여 있는게 아닌가 싶습니다.

수학은 과학자에겐 제 2의 언어라는 말이 있습니다. 수식은 숫자나 기호자체가 아니라 현상을 설명하기 위한 표현방법인 것입니다. 평형을 말로 설명하듯이 말입니다. 화학자에겐 화학반응식이라는 또 다른 언어가 있기는 하지만 수학 역시 화학자에게 있어서도 중요한 언어 중 하나입니다.

두서없이 말씀 드리다 보니 뭘 어떻게 설명드려야 할지 막막해 집니다. 조금이나마 도움이 되셨길 바라며 이만 줄입니다.

------------------------------------질문-------------------------------------

 화학평형상수가 무슨 의미인가를 학생들이 어려워하는데  화학반응이 끝나면 생성물이 생기고

그것으로 모든 것이 끝났다고 생각하는데 정반응, 역반응이 나오고 평형상수가 나오니까 왜 그런지를 이해하지 못하는 것입니다. 즉, 지금까지 배워왔던 대부분의 화학반응은 정반응 쪽으로 일어나서 반응물이 생기고 끝나는 줄 알았는데 갑자기 역반응이 나오니까 헷갈리는 것입니다.

화학 II에서 깁스에너지가 나오는지 알 수 없으나 화학반응이 일어나는 상황은 열역학 제2법칙으로 깁스의 자유에너지로 자세히 설명하고 있으니까 배경지식이 필요하면 열역학책을 참고하시면 됩니다. 아니면 인터넷에서 검색하면 여러 대학에서 깁스자유에너지에 관한 PPT 발표자료들이 올라와 있으므로 힘들게 교재를 구해서 다 읽을 필요도 없겠지요.

먼저 동적평형이 무엇인가를 이해시켜야 합니다. 당연히 분자모델로 시도해야 합니다. 화학반응이란 분자결합이 일어나기도 하지만 분해가 되기도 하면서 (분자 결합은 고정되어 있는 것이 아니라 계속 변한다는 사실을 강조해야겠지요) 겉보기에 더 이상 반응이 진행되지 않는 것 처럼 보이는 곳이 화학평형이 이루어진다는 사실을 확인하고... 적당한 화학결합을 표시하는 분자모델을 찾아야 하고요. 또 그래프에서 농도변화에 따른 반응진행을 곁들여서 설명해야겠고요.

정반응, 역반응이 진행되어 몰농도가 변하지 않을 때가 무슨 의미인가를 확인시켜야 합니다. 몰농도에 대한 정확한 이해가 필요하겠지요.

다음에 (정반응 : 역반응)을 나타내는 몰농도의 비가 분자모델을 이용해서 어떤 상황에서 가능한가를 이해시켜야 합니다. 대부분의 학생들은 반응이 일어나면 반응공식에 따라 모든 분자들이 다 결합에 참가하여 생성물만 생긴다는 생각을 하기 쉽습니다. 이럴 때 반응에 참가하지 않는 분자들이 있기 때문에(반응식에 따른 결합을 할  때 분자수가 과잉이 되든지 아니면 다른 환경에 의해) 반응물의 몰농도가 나오는 현상을 이해시켜야 합니다.

다음으로 반응식에 나오는 계수가 어떤 의미가 있는지 설명해야겠지요. 화학반응식에서 계수는 반응에 참가하는 분자수를 나타내기 때문에 반응물이나 생성물의 몰농도(---> 이것도 실제로는 분자의 개수)의 거듭제곱으로 가야합니다. 그림으로 그려서 설명하면 좋겠지요.

aA+bB 라는 화학식이 있고 반응물 A의 몰농도가 0.8이라고 하고 화학식에서 볼 때 정반응에 참가하는 분자 A의 몰농도(즉, 분자수)가 0.8인데 여기에 a배가 반응에 참가하므로 결국 (0.8)*(0.8)*(0.8)*...*(0.8)=(0.8)^a 개수의 분자들이 화학반응에서 반응물 A로 화학결합에 참가하게 됩니다.

이렇게 생각해야 하지만 실제로 평형상수에서 분모에 들어가는 K+=[A]^a[B]^b는 반응이 진행되면서 생성물이 생기고 남아있는 반응물이기 때문에 평형상수에서 분모가 작아진다는 말은 반응물의 화학결합이 더 진행되어 농도가 낮아지기 때문이고, 분모가 커진다는 말은 농도가 증가하여 역반응이 진행된다고 말해야겠지요.

평형상수는 압력, 온도, 농도 등이 어떤 값으로 주어질 때 정반응과 역반응이 진행되는 정도를 현재 각 화합물의 농도와 배수관계로 설명하나 분자모델과 농도그래프로 잘 설명하면 되겠지요.

먼저 질문하신 분이 정확하게 화학반응모델과 농도그래프, 숫자로 주어진 몰농도 관계를 잘 관찰하여 완전히 이해한다면 학생들을 가르치는데 어려움이 없을 것입니다. 학생들이 어려워하는 것이 아니고 가르치는 사람들이 정확하게 이해를 못하면 소용이 없습니다.

기체 반응은 부분압으로 설명하기 때문에 분자모델이 더 필요합니다.