자발적이라는 것이 무엇일까요?
높은 곳에 있는 물은 저절로 낮은 곳으로 흐릅니다.
나이가 들면 자연스럽게 이성을 찾게 됩니다.
남자는 여자를
여자는 남자를 찾게 되며
서로 접촉하려고 하지요.
좀 더 자세히 알아볼까요?
20층 옥상에 놓아둔 공은 바닥으로 떨어질 가능성이 아주 큽니다.
바람의 힘 또는 누군가가 건드리면 아래로 떨어지지요.
이 과정에서 공은 일을 합니다.
단지 좋은 일이 아니라 나쁜 일이 일어나는 것이 일반적이지요.
떨어지는 공에 맞으면 상당한 부상을 당할 수도 있지요.
그런데 바닥에 떨어진 공은 이런 큰일을 할 수가 없습니다.
즉 옥상에 있던 공이 가지고 있던 에너지는 바닥에 떨어지면서 흩어지지요.
열역학 제 1법칙에 의하여 에너지 자체는 사라지지 않지만 쓸모없게 되지요.
공의 위치에너지가 변화되어 만들어진 운동에너지에 의하여 바닥이 조금 손상할지도 모르며(사실 잘 알 수는 없지만) 소리가 나며 우리가 느끼지는 못하지만 열도 발생합니다.
여기서 유명한 열역학 제 2법칙이 등장합니다.
‘자발적인 과정에 의하여 에너지가 흩어진다. 그리고 흩어진 에너지들이 다시 모이는 경우는 일어나지 않는다. 즉 바닥의 공이 저절로 옥상으로 올라가는 현상은 실제로 불가능하다.’
이 현상을 제대로 이해하려면 엔트로피라는 개념이 필요합니다.
열역학 제 2법칙을 다르게 표현하면
‘자발적인 과정에서는 엔트로피가 증가한다.’
가 됩니다.
화학반응의 경우에도 원리는 동일합니다.
즉 반응이 자발적으로 일어나려면 엔트로피가 증가하여야 하지요.
그런데 화학반응에는 하나의 요소가 더 필요합니다.
보통 열로 알고 있는 엔탈피가 필요하지요.
엔탈피와 엔트로피를 함께 고려하여야 반응이 자발적인지 아닌지를 판단할 수 있습니다.
반응이 자발적이려면 엔탈피가 0보다 작어야 하며 (즉 발열반응) 또한 엔트로피는 증가하여야 합니다.
숯을 태우면 열이 발생하며 질서 정연한 고체인 숯이 무질서한 이산화탄소로 변화됩니다.
이런 연소의 경우에는 엔탈피와 엔트로피가 협력하여 반응을 자발적으로 일으킵니다.
그러나 기체인 수소와 산소가 반응하여 액체인 물이 만들어질 때는 상황이 다르지요.
이 경우에도 열이 발생하지만 엔트로피는 감소합니다.
그러므로 수소와 산소의 반응의 자발성 여부를 조사하기가 용이하지는 않지요.
그런데 온도를 올려 물이 아닌 수증기가 만들어진다면 엔탈피는 조금 감소하지만 여전히 발열하며 엔트로피의 감소는 작아지지요.
다시 말하면 자발성을 조사하기 위해서는 엔탈피뿐만 아니라 엔트로피에 절대온도를 곱한 함수가 필요하게 되는 것이지요.
엔탈피 ΔH와 새로운 함수 TΔS를 비교하여야 자발성 여부를 알 수 있습니다.
ΔH와 TΔS가 서로 반대되는 경우에도 즉 질서정연한 상태로 변하는 발열반응의 경우에도 온도가 낮은 경우 예를 들면 실온에서는 TΔS의 효과가 미미하므로 엔탈피가 중요한 역할을 합니다.
우리들이 접하는 대부분의 반응에서 열이 발생하면 자발적이라고 말해도 큰 무리가 없는 것입니다.
예를 들면 숯의 연소, 물의 생성, 금속 산화물 즉 녹의 생성 등은 자발적으로 일어납니다.
그런데 지금까지 논의한 것은 열역학인 측면에서의 경향이므로 실제로 반응이 일어난다고 단정지울 수는 없지요.
종이, 숯, 석탄, 나무는 모두 탄소화합물이지만 연소가 일어나는 정도는 아주 다르지요.
종이는 라이터 불로도 바로 타지만 나무를 태우려면 기름을 많이 뿌려야 하며 오랜 시간 가열하여 연소가 일어납니다.
즉 속도의 문제가 생기는 것이지요.
남자와 여자는 서로 이성을 찾고 원하지만 특정 남자와 특정 여자가 결혼할 수 있는지는 알 수가 없는 것이지요.
재력, 배경, 학력, 고향, 인종 등의 변수를 고려하여야 하지요.
그리고 과거의 중매쟁이, 최근의 결혼 중개업소 등이 있으면 결혼이 상당히 쉬워집니다.
화학세계에서는 반응이 일어나기 위하여 필요한 활성화 에너지의 크기가 속도에 중요한 역할을 하며 또한 촉매 역시 필요합니다.
예를 들면 수소와 산소는 실온에서 혼합하여도 거의 반응하지 않습니다.
수소가 반응하려면 분자가 원자로 깨어져야 하는데 여기에 필요한 에너지가 아주 크므로 반응이 진행되지 않지요.
환자에게 공급하는 포도당 역시 실온에서는 산소와 반응하지 않지요.
만약 포도당이 실온에서 쉽게 산소와 반응하면 보관하기 어려울 것입니다.
수소와 산소의 혼합물에 배금 가루를 넣으면 폭발적으로 반응하여 수증기가 만들어지며 포도당은 효소가 존재하면 산화되어 이산화탄소와 물이 만들어 집니다.
결론을 말하면 발열반응은 저절로 일어날 수 있지만 속도가 아주 느린 경우도 많습니다,
그리고 이 경우에도 촉매를 소량 첨가하면 반응이 빨리 진행되지요.
한편 비자발적인 반응도 충분한 에너지를 공급하고 적당한 촉매를 사용하면 일어납니다.
이산화탄소가 물에서 포도당을 만드는 광합성은 비자발적이지만 태양 빛과 엽록소에 의해 일어나고 있지요.
물을 산소와 수소를 분해하는 반응 역시 비자발적이지만 전기, 빛, 고열을 이용하면 가능하지요.
지금 우리들이 편리하게 사용하고 있는 석탄, 석유, 가스 등의 화석연료는 조만간에 고갈됩니다.
그래서 미래의 에너지 원 중 하나인 연료전지를 작동시키기 위한 수소를 물에서 만드는 연구가 활발하게 진행 중이지요.
소위 말하는 ‘물로 가는 자동차’입니다.
물을 분해하여 수소를 만들고 이 수소를 이용하여 연료전지를 작동시키는 원리이지요.
원료도 생성물도 물이므로 ‘물로 가는 자동차’라는 표현이 등장했겠지요.
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