Chemical Kinetics, Chemical Reaction Kinetics   화학반응 속도론

(2023-06-10)

화학 반응 속도, Chemical Reaction Rate


1. 화학반응 속도론 (Chemical Kinetics)화학반응 속도(Reaction Rate)를 연구하는 화학의 한 분야

  ㅇ 연구 목적 : 전체 화학 반응에 관계되는 각 단계 반응을, 가능한 한 정확하게 규명하려고 함

  ㅇ 화학반응 메커니즘 (reaction mechanism)
     - 대부분의 화학 반응은 하나의 단계가 아닌, 여러 단계를 거쳐 진행이 되는데, 
     - 전체 화학 반응을 각 단일 단계 반응으로 서술하는 것을 말함


2. 화학 반응 속도 (Reaction Rate)의 정의

  ※ 반응 속도측정 방법
     - 반응물,생성물 농도,생성물 부피 등에 대해,
     - 이들의 시간 변화를 측정하여,
     - 이로부터 반응 속도를 계산할 수 있음

  ㅇ `시간`에 따른 `농도`의 변화 속도 
     - 단위 `시간` 당 반응물 또는 생성물의 `농도` 변화량
        . 반응물이 줄어들며 생성물이 증가하는 속도

  ㅇ 반응 속도 (Rate) = (농도 변화량) / (경과 시간) = Δ[A] / Δt
     - [A] : 화학종 A의 몰농도 (mol/L)
     - Δ : 변화
     - t : 시간 (sec)
  
  ㅇ 반응 속도차원단위
     - 차원 : {M T-1}
     - 단위 : 몰농도  [M/s], [mole/L·1/sec]


3. 평균 반응 속도 (Average Reaction Rate) [mol/(L sec)]반응물 A → 생성물 B 인 경우  (A → B) 
     - 반응 속도 (v) = (농도 변화 [mol/L]) / (시간 변화 [sec])
                    = - Δ[A]/Δt  `소멸 속도` 
                    = Δ[B]/Δt    `생성 속도`
        . ([ ] : 몰 농도, t: 시간, mol: 몰 수, L: liter, sec: )

  ㅇ 2개 반응물이 1개 생성물로 합쳐지는 경우  (2A → B)
     - 반응 속도 (v) = -1/2 Δ[A]/Δt = Δ[B]/Δt

  ㅇ 반응물,생성물이 여럿 있는 경우  (aA + bB → cC + dD)
     - 반응 속도 (v) = - 1/a Δ[A]/Δt = - 1/b Δ[B]/Δt = 1/c Δ[C]/Δt = 1/d Δ[D]/Δt
       

4. 반응 속도식(Rate Equation) / 반응 속도 법칙(Rate Law)

  ㅇ 반응 속도는, 반응물 각각에 부과하는 농도에 비례적 임

  ㅇ 따라서, 반응 속도반응물 각각의 농도에 어떻게 의존하는가를,
             화학반응식과 관련하여 다음의 식으로 나타낼 수 있음
     -  a A + b B  →  c C + d D

  ㅇ 이때, 속도식은,
     -  속도 = k [A]m [B]n

  ㅇ 위 속도식에서, 각 기호의 의미는,
     - a,b : 균형 반응식 계수
     - k   : 속도 상수(reaction constant) [(mol/L·sec)-1]
     - m,n : 반응 차수(reaction order)
        . 속도 법칙에서 지수 성분
           .. 반응 속도가 각 반응물 농도에 어떻게 의존하는가를 나타냄
        . 전체 반응 차수(overall reaction order) = n + m + ...
     - [ ] : 몰 농도
     - A,B,C,D : 반응물,생성물에서의 화학종
     * 여기서, 반응 속도,반응 차수,속도 상수실험에 의해 결정됨

  ※ 만일, 어떤 반응에서 속도 법칙(속도식) 및 속도 상수를 완전히 알면, 
     - 임의 농도에서도 반응 속도를 계산 가능


5. 반응 속도에 영향 주는 요소농도                : 반응 속도반응물 농도에 비례적
  ㅇ 온도                : 반응 속도반응물 온도에 비례적
  ㅇ 촉매                : 촉매 자신은 소비되지 않으면서도 반응 속도를 증가시킴
  ㅇ 반응물 간 접촉 능력 : 반응 속도반응물 간에 서로 섞이기 쉬울수록, 
     - 즉, 접촉면이 클수록 증가함
  ㅇ 반응물화학적 특성 등, 많은 요인들이 이에 관련됨 


6. 반응 차수의 구분

  ㅇ 일차 반응 (first-order reaction)
     - 반응 속도반응물 농도의 1승에 비례. 1가지 반응물 농도에 만 의존
        . 속도 = - △[A]/△t = k[A]
     * A의 농도가 2배로 되면(반으로 줄면), 반응 속도도 2배가 됨(반이 됨)

  ㅇ 이차 반응 (second-order reaction)
     - 반응 속도반응물 농도의 제곱에 비례. 서로다른 2가지 반응물 농도의 1제곱에 비례
        . 속도 = - △[A]/△t = k[A]2

  ㅇ 영차 반응 (zero-order reaction)
     - 반응 속도반응물 농도와 무관

  ※ 특정 반응물차수(지수)는, 실험 관찰 결과에 따라 결정하게 됨


7. 반응 진행 중 속도 측정의 간접적인 방법 例색깔 변화
  ㅇ 압력 변화
  ㅇ 전도도 변화 등


8. Arrhenius 화학반응 관계식

  ※ ☞ 아레니우스 방정식 참조
     - 화학 반응 내 반응 속도 평형 상수온도 의존성을 나타냄

화학반응 속도론
   1. 화학반응 속도론   2. 아레니우스 방정식  


Copyrightⓒ written by 차재복 (Cha Jae Bok)       기술용어해설후원
"본 웹사이트 내 모든 저작물은 원출처를 밝히는 한 자유롭게 사용(상업화포함) 가능합니다"