5-2-1. 반응 속도의 정의
몇 해전에 우리는 아현동에서 있었던 가스 폭발 사고와
대구 지하철에서 일어났던
역시 가스 폭발 사고를 생생하게 기억하고 있습니다.
폭발은 화학 반응이 급격하게 빨리 일어나
방출된 에너지가 공간에 충격파를 만드는 현상입니다.
그런가 하면 쇠에 녹이 스는 현상은 화학 반응이 천천히 일어나
순간적으로는 눈에 그리 뜨이지 않죠.
이와 같이 자연계에는 화학 반응이 빠른 것과 느린 것이 있는데,
이번에 배울 내용은 화학 반응이 일어나는 속도를
어떻게 나타낼 것인가 하는 점입니다.
예를 들어 100m를 10초에 달리는 사람과 15초에 달리는 사람 중
누가 더 빠르냐를 물어 본다면
여러분들은 당연히 10초에 달리는 사람이라고 대답할 것입니다.
속도는 달린 거리를 걸린 시간으로 나눈 값으로부터 알 수 있죠.
같은 이치로 화학 반응이 일어나면 반응물이 줄어들고 생성물이 늘어나겠죠.
따라서 반응물의 감소 속도는
감소한 반응물의 농도를 경과 시간으로 나누면 되고,
생성물의 증가 속도는
증가한 생성물의 농도를 경과 시간으로 나눈 값이며,
이것이 그때까지의 평균 반응 속도에 해당합니다.
반응 속도 = (농도 변화량)/(경과 시간)
(예) A --> B 반응에서 처음에 A의 몰농도가 [A]=0.1M인데
20초 뒤 측정한 A의 몰농도가 [A]=0.04M이었다면
그때 A의 평균 반응 속도는?
{풀이} A의 농도 변화량은 0.04-0.1=-0.06(M=mol/L)이고,
걸린 시간이 20초이므로
반응 속도 = -(-0.06)/20 = 3 X 10-3 (mol/L s)
위에 든 예의 풀이에서 (-)값을 곱한 이유는
반응물인 A가 감소하기 때문입니다.
생성물인 B의 경우라면 증가하기 때문에 (+)값이 되겠죠.
다음에 반응물이나 생성물의 농도가 시간에 따라서 변화할 때
반응 속도와 어떤 관계가 있는지를 살펴 봅시다.
위 그림에서 처음부터 시간 t 까지에 대한 반응 속도를 말한다면
결국 평균 반응 속도에 해당하므로
-D[A]/Dt(시간 t 까지의 직선 기울기에 (-)를 붙인 값)이고
시각 t 일 때의 반응 속도는 순간 속도이므로
그 지점에서 그은 접선(그림에서 파란 접선) 기울기에 (-)를 붙인 값입니다.
만일 생성물 B로 반응 속도를 나타내고 싶다면 D[B]/Dt 가 될 것입니다.
그림에서 보면 반응물 A의 농도가 줄어들면서 각 지점에서 접선을 그어 본다면
접선의 기울기가 점점 완만해지는 것을 볼 수 있는데,
이것은 A가 줄면서 반응 속도도 따라서 느려지는 것을 나타냅니다.
반응 속도와 반응물의 관계는 반응식의 계수와는 무관합니다.
aA + bB ---> cC 의 반응식에서 반응 속도를 v 라고 하면,
v = k[A]m[B]n
k는 속도 상수, [A],[B]는 반응물의 농도, m, n은 반응 차수입니다.
여기서 a, b 는 m, n 과 같은 값일 수도 있지만
그렇지 않을 수도 있습니다.
자, 이제 오늘 배운 것을 정리해 봅시다.