자유도 계산이 틀리는 원인은 대부분 공식이 아니라 상(Phase)의 수를 세는 방식에 있다. 상의 정의를 다시 짚고, 고체가 여러 종류일 때 어떻게 계산해야 하는지 정리한다.
Gibbs 상규칙의 공식 자체는 단순하다.
F = 2 − P + C − r
그런데 실제로 계산이 어긋나는 경우를 보면 공식을 몰라서가 아니라, P(상의 수)를 잘못 세서 틀리는 경우가 대부분이다.
MgCO₃ 열분해 평형 예시
다음 반응이 평형에 도달한 계를 생각해보자.
MgCO₃(s) ⇌ MgO(s) + CO₂(g)
직관적으로는 "고체상 하나 + 기체상 하나 = 2상"이라고 보기 쉽다. 하지만 이것은 상(Phase)을 물질의 상태(state)와 동일시한 결과이다.
상(Phase)은 상태가 아니라 균일한 영역이다
상은 물질이 고체·액체·기체 중 어느 상태인지를 분류하는 개념이 아니다. 조성과 물성이 균일한 영역을 하나의 상으로 정의한다.
서로 다른 고체는, 설령 같은 용기 안에 있더라도, 각각 독립된 균일 영역을 이루기 때문에 별개의 상으로 취급한다.
MgCO₃와 MgO는 모두 고체지만 결정 구조와 조성이 완전히 다른 물질이다. 두 고체는 서로 섞이지 않고 각자 독립적인 균일 영역을 형성한다.
따라서 이 계의 상은 다음과 같이 세 개다.
MgCO₃(s)
탄산마그네슘 결정
MgO(s)
산화마그네슘 결정
CO₂(g)
이산화탄소 기체
비슷한 예시
| 계 | 구성 상의 수 | 이유 |
| 얼음 + 물 | 2상 | 같은 물질이지만 상태가 다름 |
| 설탕 결정 + 소금 결정 | 2상 | 둘 다 고체지만 조성이 다름 |
| MgCO₃ 결정 + MgO 결정 | 2상 | 둘 다 고체지만 별개의 균일 영역 |
자유도 계산
| 변수 | 값 | 근거 |
| P (상의 수) | 3 | MgCO₃, MgO, CO₂ 각 1상 |
| C (독립 성분 수) | 3 | Mg, C, O 세 원소로 구성 |
| r (독립 반응 수) | 1 | 분해 반응 1개 |
F = 2 − 3 + 3 − 1
F = 1
자유도 1 → 온도 또는 압력 중 하나만 독립적으로 지정 가능
이 결과는 물리적으로도 타당하다. MgCO₃의 열분해 반응은 특정 온도에서 CO₂ 분압이 하나의 값으로 결정된다. 온도를 고정하면 평형 CO₂ 분압도 고정되고, 반대로 CO₂ 분압을 지정하면 평형 온도가 결정된다. 자유도가 1이라는 것이 이 거동과 정확히 일치한다.
핵심 정리
상(Phase)의 수를 셀 때는 물질의 상태(고체/액체/기체)가 아니라, 조성과 물성이 균일한 독립 영역의 수로 판단해야 한다. 서로 다른 고체가 공존하면 각각 별개의 상으로 계산한다.