화학 반응 속도

반응속도

화학 반응이 진행되는 속도는 시간에 따른 기질이나 생성물 의 농도 변화로 정의됩니다. 화학 반응의 속도는 일반적으로 적용 가능한 속도 방정식의 형태로 표시되는 함수입니다. 그러한 방정식에서 성분의 양 변화는 일반적으로 몰 농도로 표현됩니다. 질량, 몰분율, 원자분율(비율) 등 수량을 표현하는 다른 방법을 사용할 수 있습니다. 화학은 또한 화학 반응의 순간 속도 라는 보다 발전된 개념을 사용합니다. 반응 과정은 몰 농도 (y축)와 반응 시간(x축) 사이의 관계를 플롯하여 시각화할 수 있습니다. 결과 곡선에 대해 접선과 기울기가 결정되며, 후자는 반응의 순간 속도에 해당합니다. 화학 반응 속도를 특징짓는 또 다른 값은 소위 반감기 입니다. 시간에 따른 방사성 원소의 거동을 설명하는 값입니다. 반감기는 초기 기질 양의 절반이 반응하는 데 필요한 시간으로, 반감기가 길수록 화학 반응의 속도 방정식에서 속도 상수 k가 작아진다는 것을 의미합니다. 화학 반응 속도에 영향을 미치는 요인:

• 기질 농도 – 반응 속도가 기질 농도에 결정적으로 의존한다는 것이 실험적으로 여러 번 입증되었습니다. 시스템 내 농도가 높을수록 특정 프로세스가 더 빨리 진행됩니다. 이는 충돌 이론을 사용하여 설명할 수 있습니다. 이 이론에 따르면, 특정 화학 반응이 일어나기 위한 조건은 개별 기질 분자 사이의 성공적인 충돌(즉, 충분한 에너지를 사용한 충돌)의 발생입니다. 따라서 기질 분자가 많을수록(농도가 높을수록) 충돌 가능성이 높아지며, 따라서 반응 속도도 높아집니다(이는 정비례 관계입니다).
• 시스템에 존재하는 촉매 – 촉매는 반응 시스템에 추가될 때 화학 반응이 진행되는 속도를 증가시키는 물질입니다. 이는 활성화 에너지, 즉 기질이 반응의 에너지 장벽을 극복하고 실제 반응 생성물이 형성되기 전에 활성 복합체(전이 상태)를 형성하는 데 필요한 에너지의 감소와 관련이 있습니다. 촉매에 의해 활성화 에너지가 낮아지면 화학 반응을 시작하는 데 필요한 에너지가 줄어듭니다.
• 온도 및 압력 – 반트 호프의 법칙에 따라 반응 시스템의 온도를 10ᵒC 높이면 반응 속도가 2~4배 증가합니다. 이 관계를 통해 온도가 증가하면 반응 속도를 추정할 수 있지만 모든 반응에 적용되는 것은 아니며 예외적인 경우에는 반응 속도가 감소하거나 바람직하지 않은 생성물이 발생하기도 합니다. 기체 물질만 관련된 반응의 경우 시스템의 압력이 중요한 역할을 합니다. 증가는 기질 농도가 높아짐을 의미하므로 개별 분자 간의 성공적인 충돌이 보다 효율적으로 발생하고 반응 속도가 증가합니다.
• 미세도 – 고체 기질과 관련된 화학 반응이 표면에서 발생합니다. 물질의 표면적이 클수록 해당 물질과 관련된 반응이 더 빠르고 효율적입니다. 따라서 이 면적을 최대한 늘리기 위해 기판을 분쇄하거나 연삭하는 작업을 수행합니다. 예를 들어 횃불의 불꽃 속에서 빠르게 산화되는 철분은 철봉을 가열할 때 관찰되지 않는 효과입니다.
• 혼합 – 혼합은 반응 속도에 미세한 정도와 유사한 영향을 미칩니다. 시스템에서 분자의 움직임이 시작되면 분자의 접촉이 더 자주 발생하고 반응 생성물이 형성됩니다. 표면 공정에서 혼합은 촉매 표면 등에서 생성된 분자의 분리를 촉진하여 다른 기질의 활성 중심에 대한 접근을 증가시킵니다.

비율 방정식

속도 방정식은 화학 반응 속도와 기질 농도 사이의 관계를 설명하는 데 사용할 수 있습니다. 각 화학 변환에는 특징적인 속도 방정식이 있습니다. 가장 간단한 용어로, 이 관계는 계수 k(반응 속도 상수, 특정 온도에서 특정 화학 반응에 대해 일정한 값)와 기질 농도의 곱으로 표현될 수 있습니다. 속도 방정식의 형태는 반응 순서에 따라 달라집니다.

• 1차 반응 – 속도는 기질의 농도에만 의존하고 1차 반응을 제곱합니다.
• 2차 반응 – 이 경우 두 반응 성분 또는 하나의 기질 앞의 화학양론적 계수(예: 분해 반응)가 속도 방정식에 포함되어야 합니다. 이러한 반응에서 속도는 기질 농도의 곱에 따라 달라집니다.

대부분의 화학 반응은 1차 또는 2차이므로 위에 제공된 예가 가장 일반적입니다. 그러나 반응 속도가 기질의 농도에 의존하지 않는 0차와 같은 다른 차수의 반응도 가능하다는 점을 기억해야 합니다. 특정 화학 반응에 대해 작성된 속도 방정식은 주로 해당 메커니즘, 즉 분자가 변화하는 기본 반응의 순서에 따라 달라집니다. 다단계 메커니즘 프로세스의 경우 전체 반응 속도는 가장 느린 단계에 따라 결정됩니다. 이러한 상황에서는 비율 방정식을 정확하게 결정하기 어렵거나 매우 복잡해질 수 있습니다. 속도 방정식은 화학 반응의 순서 개념과도 연결됩니다. 차수는 속도 방정식에서 지수의 합으로 정의됩니다. 이는 화학 반응이 일어나기 위해 얼마나 많은 분자, 이온 또는 원자가 성공적인 충돌에 참여해야 하는지를 결정합니다.

화학 반응 속도에 대한 촉매의 영향

촉매는 시스템에 존재하면 화학 반응 속도를 증가시키는 물질입니다. 중요한 것은 그 자체가 프로세스에 반응하지 않는다는 것입니다. 기질과 함께 소위 활성 복합체를 형성하여 변형이 훨씬 쉽습니다. 화학반응이 완료되면 촉매는 원래의 형태로 재생됩니다. 촉매의 주요 임무는 활성화 에너지, 즉 반응에 관여하는 기질 간의 성공적인 충돌이 발생하기 위해 공급되어야 하는 에너지를 줄이는 것입니다. 우리는 균질 촉매작용(촉매와 반응물이 동일한 물리적 상태에 있음), 불균일 촉매작용(촉매와 반응물이 서로 다른 물리적 상태에 있음, 가장 일반적인 유형의 촉매작용으로 촉매를 접촉이라고 함) 및 자가촉매작용을 구분할 수 있습니다. (결과 생성물 중 하나가 추가 화학 반응을 가속화합니다). 촉매작용과 촉매는 대부분의 산업 공정, 특히 화학 산업 공정 에서 매우 가치 있고 중요한 측면입니다. 촉매는 질산(V)산 또는 황산(VI)산 생산과 같은 화학의 대부분의 기술 공정에 사용됩니다.