반응 속도론

반응 속도란 반응물이 생성물로 변하는 속도를 의미합니다. 이를 단위 시간당 농도(또는 양)의 변화량으로 측정합니다.

반응이 일어나기 위해 입자는 반드시 충돌해야 합니다. 입자가 서로 부딪히는 빈도를 충돌 빈도라고 합니다. 그러나 모든 충돌이 반응을 일으키는 것은 아닙니다:

• 유효 충돌에는 충분한 에너지 와 올바른 방향성이 있어 반응이 일어납니다.
• 비유효 충돌은 충분한 에너지를 갖지 못하거나 입자가 잘못된 각도로 부딪혀 아무 일도 일어나지 않습니다.

따라서 반응 속도는 유효 충돌 빈도에 의존합니다—즉, 매초 얼마나 많은 유효한 충돌이 일어나느냐입니다.

농도와 압력

용액의 농도(또는 기체의 압력)를 높이면 입자들이 더 밀집하게 됩니다. 이로 인해 충돌 빈도가 늘어나 매초 유효 충돌 횟수가 증가하고, 결과적으로 반응 속도가 빨라집니다.

실험 데이터로부터 속도를 계산할 수 있습니다. 예를 들어, 생성된 기체의 부피를 소요 시간으로 나누면 됩니다.

해설 예제. 한 반응에서 이산화탄소가 발생합니다. 첫 $30\ \text{s}$ 동안 $48\ \text{cm}^3$의 기체가 수집되었습니다. 이 시간 구간의 평균 반응 속도를 구하십시오.

반응 속도는 시작 시 가장 빠릅니다(그래프가此处最陡峭). 이는 반응물이 가장 높은 농도를 유지하기 때문이며, 반응물이 소모됨에 따라 속도는 느려집니다.

활성화 에너지($E_A$)는 유효한 충돌을 위해 필요한 최소 에너지입니다.

볼츠만 분포는 특정 온도에서 분자의 에너지가 어떻게 분포하는지를 보여주는 그래프입니다. 곡선은 원점에서 시작하여 정점에 도달한 후 긴 꼬리를 그리며 감소합니다. 곡선 아래의 전체 면적은 분자의 총 수를 나타냅니다. $E_A$보다 오른쪽에 있는 분자만이 반응할 충분한 에너지를 가집니다.

온도를 높이면:

• 곡선이 평평해지고 오른쪽으로 넓게 퍼지므로, 훨씬 더 많은 비율의 분자가 now $E_A$보다 큰 에너지를 갖게 됩니다.
• 분자들도 더 빠르게 움직이고 충돌 빈도가 증가합니다.

첫 번째 효과가 더 큽니다. 이것이 온도가 조금 오르면 반응 속도가 크게 증가하는 이유입니다.

촉매는 반응을 가속화하지만 자체적으로는 소모되지 않습니다. 이러한 작용을 **촉매 작용(catalysis)**이라고 합니다.

촉매는 반응에 다른 반응 메커니즘—즉, 더 낮은 활성화 에너지를 가진 새로운 경로를 제공함으로써 작동합니다. 볼츠만 분포에서 $E_A$을 낮추면 선이 왼쪽으로 이동하므로, 더 많은 분자가 충분한 에너지를 갖게 됩니다. 이는毎초 유효한 충돌 수가 늘어나고 반응 속도가 빨라짐을 의미합니다.

반응 경로도에서 촉매가 포함된 경로는 더 낮은 에너지 '언덕'을 가집니다. 반응의 엔탈피 변화, $\Delta H$,는 촉매에 의해 변하지 않습니다.

두 가지 유형이 있습니다:

• **동상 촉매(homogeneous catalyst)**는 반응물과 같은 물리적 상태에 있습니다—예를 들어 액체 용액에 용해된 산 촉매 등.
• 이종 촉매는 반응물과 다른 상태에 있습니다. 예를 들어, Haber 공정에서 기체 반응의 속도를 높이는 고체 철.

• 충돌 이론을 사용하여 속도 변화를 설명합니다 — 더 자주 발생하거나/또는 더 높은 에너지를 가진 유효 충돌.
• 볼츠만 분포 그래프에 $E_A$를 표시하고, 그 오른쪽 영역을 채운 뒤, 더 높은 온도에서 곡선이 평평해지며 오른쪽으로 이동함을 보여줍니다. 곡선은 원점에서 시작하여 축에 절대 닿지 않습니다.
• 촉매는 **더 낮은 $E_A$**를 갖는 대안 경로를 제공하며, $\Delta H$은 변경되지 않습니다.
• 작은 온도 상승이 큰 속도 상승을 주는 이유를 설명하시오: 현재 분자의 훨씬 더 큰 비율이 $E_A$을 초과하기 때문이다(주요 효과).