1. 화학반응 속도론 (Chemical Kinetics)
ㅇ 화학반응 속도(Reaction Rate)를 연구하는 화학의 한 분야
ㅇ 연구 목적 : 전체 화학 반응에 관계되는 각 단계 반응을, 가능한 한 정확하게 규명하려고 함
ㅇ 화학반응 메커니즘 (reaction mechanism)
- 대부분의 화학 반응은 하나의 단계가 아닌, 여러 단계를 거쳐 진행이 되는데,
- 전체 화학 반응을 각 단일 단계 반응으로 서술하는 것을 말함
2. 화학 반응 속도 (Reaction Rate)의 정의
※ 반응 속도의 측정 방법
- 반응물,생성물 농도,생성물 부피 등에 대해,
- 이들의 시간 변화를 측정하여,
- 이로부터 반응 속도를 계산할 수 있음
ㅇ [중심개념] `시간`에 따른 `농도`의 변화 속도
- 단위 `시간` 당 반응물 또는 생성물의 `농도` 변화량
. 반응물이 줄어들며 생성물이 증가하는 속도
ㅇ [표현식] 반응 속도 (Rate) = (농도 변화량) / (경과 시간) = Δ[A] / Δt
- [A] : 화학종 A의 몰농도 (mol/L)
- Δ : 변화
- t : 시간 (sec)
ㅇ [차원,단위] 반응 속도의 차원 및 단위
- 차원 : {M T-1}
- 단위 : 초당 몰농도 [M/s], [mole/L·1/sec]
3. 평균 반응 속도 (Average Reaction Rate) [mol/(L sec)]
ㅇ 반응물 A → 생성물 B 인 경우 (A → B)
- 반응 속도 (v) = (농도 변화 [mol/L]) / (시간 변화 [sec])
= - Δ[A]/Δt `소멸 속도`
= Δ[B]/Δt `생성 속도`
. ([ ] : 몰 농도, t: 시간, mol: 몰 수, L: liter, sec: 초)
ㅇ 2개 반응물이 1개 생성물로 합쳐지는 경우 (2A → B)
- 반응 속도 (v) = -1/2 Δ[A]/Δt = Δ[B]/Δt
ㅇ 반응물,생성물이 여럿 있는 경우 (aA + bB → cC + dD)
- 반응 속도 (v) = - 1/a Δ[A]/Δt = - 1/b Δ[B]/Δt = 1/c Δ[C]/Δt = 1/d Δ[D]/Δt
4. 반응 속도식(Rate Equation) / 반응 속도 법칙(Rate Law)
ㅇ 반응 속도는, 반응물 각각에 부과하는 농도에 비례적 임
ㅇ 따라서, 반응 속도가 반응물 각각의 농도에 어떻게 의존하는가를,
화학반응식과 관련하여 다음의 식으로 나타낼 수 있음
- a A + b B → c C + d D
ㅇ 이때, 속도식은,
- 속도 = k [A]m [B]n
ㅇ 위 속도식에서, 각 기호의 의미는,
- a,b : 균형 반응식 계수
- k : 속도 상수(reaction constant) [(mol/L·sec)-1]
- m,n : 반응 차수(reaction order)
. 속도 법칙에서 지수 성분
.. 반응 속도가 각 반응물 농도에 어떻게 의존하는가를 나타냄
. 전체 반응 차수(overall reaction order) = n + m + ...
- [ ] : 몰 농도
- A,B,C,D : 반응물,생성물에서의 화학종
* 여기서, 반응 속도,반응 차수,속도 상수는 실험에 의해 결정됨
※ 만일, 어떤 반응에서 속도 법칙(속도식) 및 속도 상수를 완전히 알면,
- 임의 농도에서도 반응 속도를 계산 가능
5. 반응 속도에 영향 주는 요소
ㅇ 농도 : 반응 속도는 반응물 농도에 비례적
ㅇ 온도 : 반응 속도는 반응물 온도에 비례적
ㅇ 촉매 : 촉매 자신은 소비되지 않으면서도 반응 속도를 증가시킴
ㅇ 반응물 간 접촉 능력 : 반응 속도는 반응물 간에 서로 섞이기 쉬울수록,
- 즉, 접촉면이 클수록 증가함
ㅇ 반응물의 화학적 특성 등, 많은 요인들이 이에 관련됨
6. 반응 차수의 구분
ㅇ 일차 반응 (first-order reaction)
- 반응 속도가 반응물 농도의 1승에 비례. 1가지 반응물 농도에 만 의존
. 속도 = - △[A]/△t = k[A]
* A의 농도가 2배로 되면(반으로 줄면), 반응 속도도 2배가 됨(반이 됨)
ㅇ 이차 반응 (second-order reaction)
- 반응 속도가 반응물 농도의 제곱에 비례. 서로다른 2가지 반응물 농도의 1제곱에 비례
. 속도 = - △[A]/△t = k[A]2
ㅇ 영차 반응 (zero-order reaction)
- 반응 속도가 반응물 농도와 무관
※ 특정 반응물의 차수(지수)는, 실험 관찰 결과에 따라 결정하게 됨
7. 반응 진행 중 속도 측정의 간접적인 방법 例
ㅇ 색깔 변화
ㅇ 압력 변화
ㅇ 전도도 변화 등
8. Arrhenius 화학반응 관계식
※ ☞ 아레니우스 방정식 참조
- 화학 반응 내 반응 속도 평형 상수의 온도 의존성을 나타냄