공통 과학 - 2.3 반응 속도
1. 반응 속도의 정의/2. 활성화 에너지/촉매
3. 반응 속도에 영향을 끼치는 요인/온도, 농도, 고체의 표면적
매우 빠르게 화학 반응이 일어나는 현상이 폭발이며
쇠가 녹스는 것처럼 반응이 느리게 일어나는 것도 있습니다.
이 단원에서는 빠른 반응과 느린 반응,
반응의 빠르기에 영향을 미치는 요인들에 관하여 배웁니다.
1. 반응 속도의 정의
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 반응물은 감소 속도로서 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)
(1) 몰
원자나 분자는 너무 작아서 낱개로는 셀 수가 없으므로
일정한 크기의 집단을 한 단위로 하여 계산합니다.
가령 오이 100 개를 1 접, 굴비 20 마리를 1 두름이라고 부르는 것처럼
어떤 입자가 6.02×1023 개 모여 있을 때 이것을 1 몰 이라고 부릅니다.
몰 수를 계산하려면 질량을 물질의 화학식량으로 나누면 됩니다.
물(H2O)의 화학식량(=분자량)은 18 이므로
물 54g의 몰 수는 54÷18=3 몰이고,
물 54g 속에 들어 있는 H2O 분자 수는 3×6.02×1023 개입니다.
(2) 몰 농도
몰 농도는 일정한 부피 안에 들어 있는 몰 수로 나타내기 때문에
(몰 수)÷(부피)로 계산하며,
이 때 부피의 단위는 L(리터)를 쓴다는 것을 잊지 마십시오.
예를 들어 계산하면,
황산(H2SO4, 화학식량=98) 4.9 g을 물에 녹여 500 mL 용액을
만들었다면 몰 수가 4.9÷98=0.05몰이고 전체 부피가 0.5 L 이므로
황산의 농도 [H2SO4]는 0.05 몰÷0.5L=0.1몰/L 이며,
단위는 몰/L=M으로 씁니다.
(3) 반응 속도 계산
(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 0.06(M=mol/L)이고,
걸린 시간이 20초이므로
반응 속도 = 0.06/20 = 3 X 10-3 (mol/L s), s는 초를 뜻합니다.
활성화 에너지는 반응하는 데 필요한 최소한의 에너지를 뜻합니다.
말하자면 반응할 수 있는 자격이라고나 할까?
그러나 활성화 에너지 이상의 에너지를 갖고 있는 분자라 해도
모두 반응하는 것은 아닙니다.
마치 어느 대학에 합격했어도
(활성화 에너지가 바로 합격점-커트라인-이라고 봐도 좋다)
꼭 그 대학을 다닌다는 보장이 있는 것은 아닌 것처럼 말이죠.
촉매가 하는 일
높은 산이 앞을 가로막고 있는데,
이 산 때문에 사회 경제 활동이 크게 지장을 받는다면
사람들은 좀더 쉽게 왕래하기 위하여 산에 굴을 뚫을 것입니다.
이와 같이 활성화 에너지가 크면 반응하기가 어렵기
-반응 속도가 느리기- 때문에
좀더 반응을 쉽게-반응 속도를 빠르게- 하려면
활성화 에너지를 낮추어야
-높은 산의 중턱에 굴을 뚫듯이- 하는데
이것이 정촉매가 하는 일이죠.
조선 시대에 서울의 경계인 북한산에는
외적으로부터 서울을 지키기 위하여 산성을 쌓았습니다.
이것은 외적이 넘어 오기 어렵게
-반응 속도를 느리게- 하기 위한 것입니다.
즉, 활성화 에너지를 크게 하여
반응 속도를 느리게 하는 것으로서 부촉매가 할 일이죠.
3. 반응 속도에 영향을 끼치는 요인
(1) 온도가 반응 속도에 미치는 영향
겨울철보다 여름철에 음식이 쉽게 상하는 것을 흔히 경험하게 됩니다.
그 이유는 온도가 높을수록 반응 속도가 빨라지기 때문이지요.
온도가 높으면 분자들이 더욱 활발하게 운동을 하게 되고
운동 에너지가 커지므로
반응에 필요한 에너지(활성화 에너지)
이상의 에너지를 지닌 분자들이 늘게 됩니다.
다음 그림은 어느 온도에서 분자들의 운동 에너지와
분자 수의 관계를 나타낸 것입니다.
여러분들이 학교에서 시험 본 결과를 가로축은 성적,
세로축은 그 성적별 학생 수를 나타내 본다면
아마 위 그림과 비슷한 모양이 나올 것입니다.
그림에서 오른쪽으로 갈수록 운동 에너지가 큰
(움직이는 속력이 빠른) 분자들을 나타내며
그 숫자는 그리 많지 않고, 반응을 할 수 있는 분자들은
활성화 에너지(Ea) 이상의 운동 에너지를 가진 분자들이므로
그림의 색칠된 부분이지요.
온도가 높아지면 운동 에너지의 분포가 다음 그림처럼 달라집니다.
위 그림에서 온도가 T에서 T'으로 높아지면 반응할 수 있는 분자
(활성화 에너지 Ea 이상의 에너지를 갖는 분자) 수가 S1에서
S1 + S2로 많아지므로 반응 속도가 빨라집니다.
온도가 변해도 활성화 에너지는 달라지지 않습니다.
(2) 농도가 반응 속도에 미치는 영향
반응물의 농도가 진하면 반응물 사이에 충돌할 기회가 많아지므로
반응 속도가 빨라지게 됩니다.
(3) 고체의 표면적과 반응 속도
철사는 불 속에 넣어도 잘 타지 않으나 강철솜을 불에 태우면
밝은 빛을 내며 잘 탑니다.
화학 반응이 일어날 때 고체는 표면에서만 반응이 일어나므로
표면적이 넓을수록
-입자의 크기가 작을수록- 반응 속도가 빠르게 되는 거죠.