발열 반응과 흡열 반응 — 손난로는 왜 따뜻하고 냉찜질팩은 왜 차가울까
손난로를 흔들면 따뜻해지고 냉찜질팩을 누르면 차가워지는 까닭은 반응이 일어날 때 열이 나오거나 들어가기 때문입니다. 반응물과 생성물의 에너지 차이로 두 반응을 가르는 법, 생활과 실험 속의 예, 에너지 도표를 읽는 법을 정리했습니다.
겨울에 쓰는 손난로는 봉지를 뜯고 흔들기만 하면 따뜻해집니다. 불도 전기도 없는데 열이 어디서 올까요. 반대로 운동장에서 발목을 삐었을 때 쓰는 냉찜질팩은 주머니를 꾹 눌러 터뜨리면 금세 차가워집니다. 냉장고에 넣어 둔 것도 아닌데 말이죠. 둘 다 안에서 화학 변화가 일어나고 있고, 손난로는 그 변화가 열을 내놓는 발열 반응, 냉찜질팩은 열을 빨아들이는 흡열 반응입니다. 같은 "반응" 인데 왜 한쪽은 뜨겁고 한쪽은 차가운지를 따라가 봅니다.
반응이 일어나면 에너지가 드나듭니다
물질은 저마다 화학 에너지를 품고 있습니다. 원자들이 어떻게 결합해 있느냐에 따라 그 양이 다릅니다. 화학 반응은 반응물의 결합이 끊어지고 생성물의 결합이 새로 생기는 일이라, 반응 앞뒤로 물질이 가진 에너지가 달라집니다. 그 차이가 열로 드나듭니다.
반응물이 가진 에너지가 생성물보다 크면, 남는 에너지가 열로 주위에 나갑니다. 이것이 발열 반응이고 주위의 온도는 올라갑니다. 반대로 생성물의 에너지가 반응물보다 크면, 모자라는 만큼을 주위에서 열로 끌어와야 반응이 진행됩니다. 이것이 흡열 반응이고 주위의 온도는 내려갑니다. 에너지가 없어지거나 생기는 것이 아닙니다. 화학 에너지와 열에너지 사이를 오갈 뿐입니다 — 에너지 보존은 여기서도 지켜집니다.
발열 반응 — 주위가 따뜻해집니다
손난로 속에는 철가루가 들어 있습니다. 봉지를 뜯어 공기와 닿게 하면 철이 산소와 천천히 결합해 산화 철이 되는데, 이것은 쇠가 녹스는 것과 같은 반응을 빠르게 한 것입니다. 이 반응은 발열 반응이라 손난로가 몇 시간 동안 따뜻합니다. 가스레인지의 불꽃은 메테인이 타는 연소 반응이고, 가장 흔한 발열 반응입니다. 산과 염기가 만나는 중화 반응에서도 열이 나서, 묽은 염산에 수산화 나트륨 수용액을 넣으면 온도계의 눈금이 올라갑니다.
생석회(산화 칼슘)에 물을 부으면 뜨거워지면서 김이 오르는데, 불 없이 데워 먹는 발열 도시락이 이것을 씁니다. 우리 몸의 세포 호흡도 포도당을 천천히 태우는 발열 반응이라 체온이 유지됩니다.
흡열 반응 — 주위가 차가워집니다
냉찜질팩 안에는 질산 암모늄 가루와 물주머니가 따로 들어 있습니다. 주머니를 터뜨려 둘이 섞이면 질산 암모늄이 물에 녹으면서 주위의 열을 빼앗아, 팩이 차가워집니다. 실험실에서는 수산화 바륨과 염화 암모늄을 섞는 실험이 대표입니다. 두 가루를 삼각 플라스크에 넣고 저으면 온도가 뚝 떨어져, 플라스크 바닥에 물을 조금 묻혀 둔 나무판이 얼어붙습니다.
식물의 광합성은 빛에너지를 받아 포도당을 만드는 흡열 반응입니다. 탄산 칼슘을 세게 가열하면 산화 칼슘과 이산화 탄소로 나뉘는 열분해도 열을 계속 넣어 줘야 진행됩니다. 반응은 아니지만 얼음이 녹고 물이 증발하는 상태 변화도 열을 흡수하는 쪽이라, 땀이 마르면 피부가 시원해집니다.
시험에서는 이렇게 나옵니다
- 에너지 도표 읽기. 반응물이 위에 있고 생성물이 아래면 발열, 반응물이 아래에 있고 생성물이 위면 흡열. 두 높이의 차이가 드나드는 열의 양입니다.
- 주위의 온도 변화. 발열 반응은 주위 온도 상승, 흡열 반응은 하강. "반응 용기를 만졌더니 차가웠다" 는 흡열 반응의 증거입니다.
- 예를 가르기. 발열: 연소 · 철의 산화(손난로) · 중화 반응 · 생석회와 물 · 세포 호흡 · 산과 금속의 반응. 흡열: 질산 암모늄의 용해(냉찜질팩) · 수산화 바륨과 염화 암모늄 · 광합성 · 열분해 · 얼음의 융해와 물의 증발.
- 나무판 실험. 수산화 바륨과 염화 암모늄을 섞은 플라스크가 나무판에 얼어붙은 까닭은, 반응이 주위(물)의 열을 흡수했기 때문입니다.
- 열의 방향으로 묻기. 발열 반응은 열을 방출, 흡열 반응은 열을 흡수. 생성물의 에너지가 반응물보다 큰 쪽이 흡열입니다.
자주 헷갈리는 것
- "흡열 반응은 가열하지 않으면 일어나지 않는다" — 냉찜질팩은 상온에서 저절로 일어납니다. 필요한 열을 주위에서 가져오기 때문에 주위가 차가워지는 것입니다. 가열이 꼭 필요한 흡열 반응(열분해)도 있지만, 흡열과 가열은 같은 말이 아닙니다.
- "발열 반응은 처음에 불을 붙일 필요가 없다" — 메테인은 발열 반응으로 타지만 불씨가 있어야 시작합니다. 반응이 시작되는 데 드는 에너지와 반응 전체가 내놓는 에너지는 다른 이야기입니다.
- "흡열 반응은 에너지가 사라지는 것이다" — 사라지지 않습니다. 주위의 열이 생성물의 화학 에너지로 저장됩니다. 그래서 생성물의 에너지가 반응물보다 큽니다.
- "온도계가 올라갔으니 반응물의 온도가 올라간 것이다" — 온도계가 재는 것은 주위(용액·공기)입니다. 발열 반응은 반응물이 뜨거워서가 아니라, 반응이 주위로 열을 내보내서 주위가 따뜻해지는 것입니다.
정리합니다. 화학 반응은 반응물과 생성물의 에너지가 달라 그 차이만큼 열이 드나듭니다. 반응물의 에너지가 더 크면 열을 방출하는 발열 반응이라 주위가 따뜻해지고, 생성물의 에너지가 더 크면 열을 흡수하는 흡열 반응이라 주위가 차가워집니다. 손난로의 철 산화가 앞의 것, 냉찜질팩의 질산 암모늄 용해가 뒤의 것입니다.