핵심 해설
이 문제는 열역학(thermodynamics)의 핵심 개념인
깁스 자유 에너지(Gibbs free energy, ΔG) 변화와
반응의 자발성(Spontaneity)을 이해하고 있는지 묻는 문제예요. 주어진 엔탈피 변화(ΔH)와 엔트로피 변화(ΔS)를 통해 ΔG를 계산하고, 온도(T)에 따른 자발성의 변화를 예측하는 것이 핵심입니다.
1.
핵심 개념 분석 (Key Concept):
핵심! 깁스 자유 에너지 변화 공식은
ΔG = ΔH - TΔS입니다. 반응의 자발성은 ΔG의 부호로 결정되며, ΔG < 0이면 자발적(Spontaneous), ΔG > 0이면 비자발적(Non-spontaneous), ΔG = 0이면 평형(Equilibrium) 상태를 의미합니다. 주어진 값은 ΔH = -80 kJ/mol = -80,000 J/mol, ΔS = -200 J/(mol·K), T = 298 K입니다.
2.
정답 근거 (Answer Rationale):
핵심! ΔG = -80,000 J/mol - (298 K)(-200 J/(mol·K)) = -80,000 J/mol + 59,600 J/mol =
-20,400 J/mol < 0이므로 25°C에서 이 반응은 자발적입니다. 또한, ΔH < 0 (발열)이고 ΔS < 0 (엔트로피 감소)인 경우, TΔS 항은 음수이며 온도가 높아질수록 그 절대값이 커집니다. 저온에서는 ΔH가 TΔS보다 절대값이 커 ΔG < 0이 유지되지만, 고온에서는 TΔS 항의 절대값이 ΔH보다 커져 ΔG > 0으로 바뀌어 자발성이 사라집니다. 따라서 이 반응은
저온에서만 자발적으로 진행됩니다.
3.
오답 분석 (Distractor Analysis):
- ①번:
혼동 주의! ΔG = 0이 되려면 ΔH = TΔS가 성립해야 하는데, 주어진 조건에서는 계산 결과 ΔG가 0이 아니므로 평형 상태가 아닙니다.
- ②번:
혼동 주의! ΔH < 0, ΔS < 0인 경우 모든 온도에서 자발적이려면 ΔS > 0이어야 합니다. 이 반응은 저온에서만 자발적이므로 틀렸습니다.
- ③번: ΔG > 0이면 비자발적인데, 계산 결과 ΔG는 음수이므로 틀렸습니다. 또한 고온에서만 자발적이려면 ΔH > 0, ΔS > 0이어야 합니다.
- ⑤번:
혼동 주의! ΔG < 0이면 정반응이 자발적이므로 역반응은 자발적이지 않습니다. 역반응이 자발적이려면 ΔG > 0이어야 합니다.
4.
연관 개념 정리 (Related Concepts): ΔH와 ΔS의 부호 조합에 따른 온도 의존성을 함께 알아두세요.
| ΔH | ΔS | 자발성 조건 |
|---|
| 음수 (발열) | 양수 (무질서 증가) | 모든 온도에서 자발적 |
| 양수 (흡열) | 음수 (무질서 감소) | 모든 온도에서 비자발적 |
| 음수 (발열) | 음수 (무질서 감소) | 저온에서만 자발적 |
| 양수 (흡열) | 양수 (무질서 증가) | 고온에서만 자발적 |
개념 정리: 깁스 자유 에너지(ΔG)는 반응의 자발성을 결정하는 열역학적 함수입니다. ΔG = ΔH - TΔS 공식을 통해 계산하며, ΔG < 0이면 자발적 반응, ΔG > 0이면 비자발적 반응, ΔG = 0이면 평형 상태입니다. 특히 ΔH와 ΔS의 부호가 반대일 때 온도에 따라 자발성이 변한다는 점이 중요합니다.
암기 팁: "발열(ΔH < 0)에 무질서도 증가(ΔS > 0)는 '언제나 자발적'! 발열에 무질서도 감소(ΔS < 0)는 '저온만 자발적'! 흡열(ΔH > 0)에 무질서도 증가(ΔS > 0)는 '고온만 자발적'! 흡열에 무질서도 감소는 '절대 비자발적'!"
국시 빈출 포인트: 약사 국가고시에서 ΔH와 ΔS의 부호 조합을 주고, 해당 반응의 자발성과 온도 의존성을 묻는 문제가 자주 출제됩니다. 단순 계산뿐만 아니라, 약물의 용해도, 안정성, 생체이용률(Bioavailability)에 영향을 미치는 열역학적 특성과 연결 지어 출제될 수 있으니 꼭 숙지하세요.
기출 변형 주의!: 단순 계산 문제에서 나아가 "어떤 약물 A의 용해 반응이 ΔH > 0, ΔS > 0일 때, 체온(37°C)에서의 용해도는 상온(25°C)에 비해 어떻게 될까?"와 같이 임상적 맥락에서 물어볼 수 있어요.