석회암 동굴에서의 가역반응

[장끼]

가역 반응reversible reaction , 可逆反應

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요약 반응물이 생성물로 변하는 반응을 정반응(正反應, forward reaction)이라 하며, 이 생성물이 다시 반응물로 되는 반응을 역반응(逆反應, reverse reaction)이라 한다. 물질이 어떤 온도, 압력 조건에 따라 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는 반응을 가역반응(reversible reaction, 可逆反應)이라 한다.

모든 화학 반응은 엄밀히 말하면 모두 가역반응인데 반응이 끝난 것처럼 관찰되는 시점은 정반응의 속도와 역반응의 속도가 같아진 때이고, 이 시점을 화학평형상태라 한다. 이때 반응의 종류에 따라 정반응이 매우 많이 일어난 시점에서 화학평형이 일어나면 겉보기에는 정반응만 일어난 것처럼 관찰되는데 이러한 반응을 비가역반응(非可逆反應, irreversible reaction)이라 한다.

가역반응의 예로 에스터화 반응과 에스터의 가수분해 반응은 서로 반대 방향의 반응이다. 카복시산과 알코올을 혼합하여 촉매와 가열 등 적절한 조건에서 반응시키면 에스터가 생성되는 정반응이 일어나며, 이때 생성된 에스터는 물과 반응하여 원래 성분인 카복시산과 알코올로 변하는 역반응이 일어난다.

이 반응이 일어나는 어떤 온도와 압력 등의 조건에 따라 정반응이 많이 일어난 상태에서 정반응 속도와 역반응 속도가 같아져 화학평형상태가 되면 반응물이 생성물로 변하는 정반응이 일어나는 것으로 관찰된다. 하지만 이때 실제 반응계 속에서 정반응도 일어나고 역반응도 일어나고 있기 때문에 반응물과 생성물이 함께 존재한다. 이를 화학 반응식으로 나타낼 때는 반응물과 생성물 사이에 '⇄'기호를 써서 나타낸다.

우리 생활에서 흔히 접하는 에스터는 과일이나 꽃 향이 나는 방향제, 향수, 식품첨가물 등이다. 이 에스터(ester)에 물을 섞고 반응을 돕는 촉매를 넣고 가열하면 카복시산과 알코올 종류로 분해되는 반응이 일어나는데 이때 생성된 카복시산과 알코올은 다시 반응하여 원래의 에스터로 되는 반응이 진행되는 가역반응이 일어난다.

사과 향을 내는 에스터는 아세트산에틸이며 화학식은 CH3COOC2H5이다. 이 아세트산에틸은 식초의 주성분인 아세트산과 술의 주성분인 에탄올을 반응 물질로 혼합한 후 촉매 역할을 하는 산을 넣고 가열하는 반응으로 생성된다. 이때 생성된 아세트산에틸은 다시 분해되어 원래의 아세트산과 에탄올로 변하는 역반응이 일어나는 가역반응이 진행되어 일정 시간이 지나면서 반응이 끝난 것처럼 관찰되는 평형상태가 된다. 화학 반응식을 나타내면 다음과 같다.

석회암 동굴에서의 가역반응

탄산칼슘이 주성분인 석회암으로 이루어진 땅속으로 지하수가 흐르고, 지하수가 흐르면서 공기 중의 이산화탄소가 녹는다. 이때 석회암, 즉 탄산칼슘은 순수한 물에는 잘 녹지 않지만 이산화탄소가 녹아 있는 물에는 잘 녹아 탄산수소칼슘이 된다.

오랜 세월에 걸쳐 석회암 틈으로 이산화탄소가 녹은 지하수가 흐르면서 석회암을 녹이면 석회암 지하 내부에 공간이 생겨 동굴이 되는데 이것이 석회 동굴이다. 석회 동굴 내부에는 고드름처럼 천정에 매달려 있는 구조물을 볼 수 있는데 이를 종유석(鐘乳石)이라 한다.

또한 종유석 아래 부분에는 대부분 바닥에서 위로 새싹처럼 솟아 올라오는 구조물이 있는데 이 모습이 새싹이 올라오는 모습과 비슷하여 이를 석순(石筍)이라 한다. 석회암 동굴이 만들어지는 과정과 종유석과 석순이 만들어지는 과정은 서로 가역반응 관계다.

석회동굴과 종유석

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석회암 동굴이 만들어지는 과정의 화학 반응식

석회암 동굴에서 관찰되는 종유석과 석순이 생성되는 과정

석회암이 녹은 용액인 탄산수소칼슘 용액이 동굴의 천장에서 떨어질 때 이산화탄소와 수분이 증발되어 공기 중으로 날아가면 고체 상태인 탄산칼슘이 남는다. 이것이 천장에 붙어 조금씩 커져 내려오면서 만들어지는 것이 종유석이고, 이것이 바닥으로 떨어져 쌓이면 석순이다. 종유석과 석순이 길어져 서로 맞붙으면 석주(石柱)가 된다.

석회암 동굴에서의 가역 반응

석회암 동굴 생성과정과 동굴 내부의 구조물인 종유석과 석순의 생성 과정은 서로 가역반응 관계다. 화학 반응식은 다음과 같다.

동굴밖 석회서은 풍화 안은 침식 기둥 옥

밖은 유기물과 합성 점토 토양