[짧은 화학 - 물리화학] 반응차수는 왜 계수를 따르지 않나요?
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[짧은 화학 - 물리화학] 반응차수는 왜 계수를 따르지 않나요?
<해당 내용은 화학2의 심화 내용이며, 교과과정 외 내용입니다.>
우리는 화학2에서 반응차수는 계수를 따르지 않으며, 실험적으로 결정한다고 배웁니다.
여기서 중요한 것은 실험적으로 결정한다는 내용입니다.
실험적으로 결정된다고는 하지만, 분명히 원리는 있겠죠.
오늘은 그 원리에 대해 간단히 얘기해보도록 하겠습니다.
1. 기본 가정 - 단일단계 반응의 경우에 반응차수는 계수를 따른다.
어떤 물질의 농도가 올라가면, 반응속도가 빨라지는 것은 당연합니다.
간단히 생각한다면 기체 분자가 충돌하는 횟수는 결론적으로 농도와 비례하는 값인 것은 어찌보면 당연한 내용이기 때문입니다. 즉
X+Y → Z가 되는 반응은 기본적으로 v=k[X][Y]로 쓸 수 있습니다.
하지만
겉보기엔 하나로 보이더라도
2. 실제로는 다단계 반응으로 진행되며, 그 반응속도는 속도결정단계를 따른다.
예를 들어
A+2B →2C가 되는 반응이,
A+B → C+D, v=k[A][B], 느림
B+D → C, v=k[B][D], 빠름
인 두 단일단계의 최종본이라고 한다면
두 반응중 느린쪽이 반응의 속도를 거의 차지하게 되고,
따라서 전체 반응속도는 느린 반응의 속도로 결정됩니다.
위 반응에서 느린 반응은 첫번째 반응이므로
A+B → C+D의 속도를 A+2B →2C로 간주할 수 있습니다.
따라서,
A+2B →2C의 v=k[A][B]가 되며, 반응계수와 다른 값이 나오게 됩니다.
3. 남은 과제
- 반응물의 농도로 속도를 직접 표현할 수 없는 경우
위 경우에는 반응을 결정하는 물질의 농도가 다행히도 A와 B로 표현되었지만
만약
A+B → C+D, v=k[A][B], 빠름
B+D → C, v=k[B][D], 느림
이라면, 반응 중간물질이 속도결정단계가 되므로, 전체반응의 속도식으로 표현할 수 없습니다.
- 두 반응의 속도 차이가 크지 않은 경우
속도가 비슷하다면 속도결정단계가 없겠죠.
4. 중요한 점
반응차수는 반응을 보면 알 수 있는 것이 아니라, 실험을 통해 얻어지는 값입니다.
그래서 교육과정 상에서도 실험을 통해서 X의 농도를 2배, 3배 올릴때, 반응속도가 얼만큼 빨라지는 가를 통해 반응차수를 알아내는 것을 중요하게 여기죠.
화학은 합리화의 학문입니다.
설명의 편의를 위해
A+B → C+D, v=k[A][B], 느림
B+D → C, v=k[B][D], 빠름
이기 때문에, A+2B →2C의 v=k[A][B] 라고 얘기했지만,
실제로는
A+2B →2C의 v=k[A][B]를 설명하기 위해,
A+B → C+D, v=k[A][B], 느림
B+D → C, v=k[B][D], 빠름
라는 단일단계 반응을 구성한 것이지요.
다음 시간에는 역사적으로 반응속도에 있어 중요한 사건에 대해 이야기해보겠습니다.
바로 Lindemann-Hinshelwood 메커니즘인데요.
실험실에서 반응을 시켰는데, 농도에 따라 반응차수가 달라지는 기이한 현상을 발견하게 됩니다.
농도에 따라 반응속도가 변하는 것은 당연하지만, 반응차수가 달라지다뇨!
과학자들은 어떻게 이 내용을 설명했는지 얘기해보겠습니다.
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