5-2-3. 반응 메커니즘과 속도 결정 단계
우리는 앞에서 반응 속도가
반응물 농도의 거듭 제곱에 비례한다 는 것을 배운 바 있죠.
그러나 거듭 제곱하는 지수가
반응 계수와 반드시 일치하는 것은 아니라는 것도 배웠습니다.
여기서는 그 이유에 대해서 알아봅니다.
화학 반응은 반응물들 사이에 충분한 에너지(활성화 에너지)를 갖고
충돌할 때 일어날 수 있습니다.
그러나 화학 반응이 한 단계로 일어날 수도 있지만,
여러 단계를 거쳐 일어나기도 하므로
반응 계수가 같은 반응이라도
반응 속도가 표현되는 모양은 전혀 다를 수가 있는 것이죠.
마치 봉우리가 여러 개인 산이 있는 것처럼!
2HI ---> H2 + I2 , v = k [HI]2
2N2O5 ---> 4NO2 + O2 , v = k [N2O5]1
반응이 여러 단계를 거치는 경우
반응이 일어나는 단계를 구체적으로 나타낸 것을 반응 메커니즘이라고 합니다.
2A + B --> C 의 반응이 다음과 같이 일어난다면
1 단계 : A + B --> AB (느리다)
2 단계 : AB + A --> C (빠르다)
위와 같이 나타낸 것을 반응 메커니즘이라 합니다.
위에서 단계 별 반응 속도를 각각 v1, v2라 한다면
v1 = k1[A][B], v2 = k2[AB][A]로 나타낼 수 있습니다.
다음 그림은 반응 속도가 어느 단계에서 결정되는지를 보여주는 그림입니다.
우리가 흔히 다니는 길이 위 그림처럼 생겼다면
넓은 길에서는 차가 가는 속도가 빠를 것이고
시간은 조금만 소요될 것입니다(A-B 구간).
갑자기 길이 좁아지면 차는 천천히 갈 수밖에 없을 것이고
시간은 더욱 많이 소요되겠지요.(B-C 구간)
이 때 전체 속도의 빠르기에 끼치는 영향은
느린 구간에 의해서 결정된다고 하겠습니다.
가령 A-B 구간을 지나는 데 5분 걸리고,
B-C 구간을 지나는 데 걸린 시간이 1시간이라면
A에서 목적지인 C까지 진행하는 데
주로 영향을 끼친 것은 B-C 구간이 되는 것이지요.
여기서 속도 결정 단계는 B-C 구간이라고 합니다.
전체 속도는 B-C 구간의 속도와 같다고 보아도 무방합니다.
v = v2
(예) 2A + B --> C 의 반응이 다음과 같이 일어난다면
1 단계 : A + B --> AB (느리다)
2 단계 : AB + A --> C (빠르다)
위와 같은 반응의 전체 반응 속도는 1단계 속도와 같으므로
v = v1 = k1[A][B]으로 나타내게 됩니다.
[정리]