화학 반응

물리적 변화는 새로운 물질을 만들지 않습니다. 물질은 상태나 형태만 바뀌며, 일반적으로 변화는 역행 가능합니다. 얼음이 녹거나 설탕이 용해되는 것은 물리적 변화입니다.

화학적 변화(화학적 반응)는 하나 이상의 새로운 물질을 생성하며, 일반적으로 역으로 만들기 어렵습니다. 화학적 변화의 징후로는 색상의 변화, 가스의 방출, 에너지의 변화 또는 침전물(고체)의 형성이 있습니다.

반응 속도란 시약이 생성물로 변하는 속도를 나타냅니다.

충돌 이론

충돌 이론은 반응 속도를 결정하는 요인을 설명합니다. 반응이 일어나기 위해서는 입자들이 충돌해야 하며, 충분한 에너지를 가져야 합니다. 그들이 필요로 하는 최소 에너지는 활성화 에너지($E_a$)입니다. 입자들이 더 자주 성공적인 충돌을 할 때 반응 속도가 빨라집니다.

속도에 영향을 미치는 요소

촉매

촉매는 반응을 가속화하지만 소모되지 않으며, 반응이 끝난 후에도 변화하지 않습니다. 활성화 에너지를 낮춤으로써 작동합니다. 효소는 생물학적 촉매(생물体内에서 작용하는 촉매)입니다.

속도 측정

다음과 같은 방법으로 시간에 따른 반응을 추적할 수 있습니다:

• 질량 변화: 플라스크를 저울 위에 올립니다. 가스가 빠져나갈 경우 질량이 감소하므로, 일정한 시간 간격마다 질량을 기록합니다.
• 가스 부피: 가스를 가스 주사기에 모아 일정한 시간 간격마다 부피를 읽습니다.
• 침전물 형성: 반응 mixture가 흐려지는 경우, 플라스크 아래에 있는 표시가 사라지는 데 걸리는 시간을 측정합니다.

생성물을横축, 시간을纵축으로 한 그래프에서 선은 초반에 가장 가파르(가장 빠른 속도), 시약이 소진됨에 따라 기울기가 완만해지며, 반응이 완료되면 수평이 됩니다.

일부 반응은 가역입니다: 생성물이 다시 시약으로 반응할 수 있습니다. 이를 기호 $\rightleftharpoons$로 나타냅니다.

방향 변경

명확한 예시는 수화 및 무수 화합물을 사용합니다:

• 파란색 수화 구리(II) 황산염을 가열하면 물이 빠져 흰색 무수 구리(II) 황산염이 됩니다. 물을再加하면 다시 파란색으로 변합니다.
• 분홍색 수화 코발트(II) 염화물은 가열하면 물이 빠져 파란색 무수 코발트(II) 염화물이 됩니다. 물을再加하면 다시 분홍색으로 변합니다.

무수 고체에 물을再加하여 색이 돌아오는 것을 확인하는 것은 물의 검출에 사용됩니다.

균형

닫힌系(무엇도 들어오거나 나가지 않는系)에서 가역 반응이 평형에 도달할 때는:

• 정방향 반응의 속도와 역방향 반응의 속도가 같으며, 그리고
• 시약과 생성물의 농도가 더 이상 변하지 않을 때입니다.

평형 위치 변경

평형 위치는 시약이 더 많은지 생성물이 더 많은지를 알려줍니다. 이를 이동시킬 수 있습니다:

• 온도: 가열하면 열을 흡수하는 방향(흡열 방향)으로 평형이 이동하고, 냉각하면 열을 방출하는 방향(발열 방향)으로 평형이 이동합니다.
• 압력(기체): 압력이 높아지면 평형이 기체 분자가 적은 쪽으로 이동합니다.
• 농도: 물질을 추가하면 이를 소모하기 위해 평형이 다른 쪽으로 이동합니다.
• 촉매는 평형 위치를 변경시키지 않습니다. 단순히 반응이 평형에 더 빨리 도달하도록 돕습니다.

하버법

하버법은 암모니아를 제조합니다:

• 수소는 메탄(천연가스)에서, 질소는 공기에서 얻습니다.
• 일반적인 조건: 온도 $450\,{}^{\circ}\text{C}$, 압력 약 $200$ atm ($20\,000$ kPa), 철 촉매.

컨택트 공정

컨택트 공정은 이산화황을 삼산화황로 전환합니다:

• 이산화황은 황(또는 황화물 광석의 로스팅) 연소에서 유래하며, 산소는 공기 중에서 얻습니다.
• 일반적인 조건: 온도 $450\,{}^{\circ}\text{C}$, 압력 약 $2$ atm ($200$ kPa), 그리고 바나듐(V) 산化物 촉매를 사용합니다.

이러한 조건이 선택된 이유

이 조건들은 타협점입니다:

• 더 높은 압력은 더 많은 생성물을 주지만, 매우 높은 압력은 위험하고 비싸므로 중간 압력을 사용합니다.
• 낮은 온도는 더 많은 생성물을 주게 되며(정반응과 역반응 모두 발열 반응임), 반응 속도가 너무 느려지므로 적절한 높은 온도를 사용하여 좋은 반응 속도를 유지합니다.
• 촉매는 평형 위치를 변경하지 않으면서 반응을 가속화하여 비용을 낮춥니다.

산화와 환원은 항상 동시에 일어나는데 이를 **산화환원 반응(redox reaction)**이라고 합니다. ('Redox'는 reduction–oxidation의 줄임말입니다.)

산화와 환원을 설명하는 세 가지 방법이 있습니다:

• 산소: 산화는 산소의 획득이며, 환원은 산소의 손실입니다.
• 전자: 산화는 전자의 손실이며, 환원은 전자의 획득입니다.
• 산화수: 산화에서는 산화수가 올라가고, 환원에서는 내려갑니다.

유용한 암기 법칙으로 OIL RIG가 있습니다: Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain — 전자에 대한 것입니다.

산화수 규칙

산화수는 로마 숫자로 표시되며, 예로 철(II)과 철(III)과 같습니다. 규칙은 다음과 같습니다:

• 결합되지 않은 원소의 산화수는 $0$입니다.
• 단일 원자 이온의 산화수는 그 이온의电荷와 같으므로(예: $\text{Na}^{+}$는 $+1$임).
• 화합물 내의 산화수의 합은 $0$입니다.
• 이온 내의 산화수의 합은 이온의电荷와 같습니다.

풀이 문제. 망간산염(VII) 이온 $\text{MnO}_4^{-}$ 안의 망간의 산화수를 구하십시오. 각 산소는 $-2$이고 총 네 개이므로 $4 \times (-2) = -8$가 됩니다. 이온 내의 산화수의 합은 이온의电荷인在这里是 $-1$여야 합니다. 따라서 망간이 $x$라면, $x + (-8) = -1$이 되어 $x = +7$이 되는데, 이는 이름 속 (VII)이 알려주는 것과 정확히 일치합니다. 총합을 0이 아닌 이온의电荷로 설정하십시오: 0은 오직 중성 화합물에만 해당합니다.

산화제와 환원제

• 산화제는 다른 물질을 산화시키고 자신은 환원됩니다.
• 환원제는 다른 물질을 환원시키고 자신은 산화됩니다.

일부 산화환원 반응은 명확한 색상 변화를 보입니다:

• 산이 가해진 망간산칼륨(VII) 은 보라색입니다. 산화제로 작용하면 환원되어 보라색 색상이 사라져 무색이 됩니다.
• 칼륨 요오드化物는 무색입니다. 산화되면 붉은 갈색 요오딘이 생성됩니다.

• 충돌 이론으로 빠른 반응 속도를 설명할 수 있습니다: 성공적인 충돌이 더 자주 발생합니다. 농도, 압력, 표면적은 입자 간 충돌 빈도를 높이고, 높은 온도는 đó的同时 더 많은 입자에게 충분한 에너지를 제공합니다.
• 촉매는 활성화 에너지를 낮추어 반응을 가속화하지만 소모되지 않으며, $\Delta H$이나 평형 위치를 변경하지 않는다.
• 평형 상태에서는 정방향 및 역방향 반응 속도가 같아질 뿐, 반응물과 생성물의 양이 같다는 뜻은 아닙니다.
• 르 샤틀리에 원리를 사용하십시오: 온도를 올리면 흡열 방향이 우세해지고, 압력을 올리면 기체 분자가 적은 쪽이 우세해지며, 물질을 추가则该物质会促使平衡向消耗它的方向移动。
• 산화환원 반응 — OIL RIG: Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain of electrons. 항상 함께 일어나며, 산화제는 자신은 환원됩니다.