▶   빠른 반응과 느린 반응 : 활성화 에너지
 
 
 

철 못이 공기 중의 산소와 반응하여 녹스는(산화철이 되는) 반응은 오랜 시간에 걸쳐서 아주 천천히 일어납니다.

 

 

반면, 도시가스의 주성분인 메탄은 공기 중의 산소와 아주 빠르게 반응합니다.

 

 

이렇게 화학 반응 중에는 천천히 일어나는 반응도 있고, 눈 깜빡할 사이에 아주 빠르게 일어나는 반응도 있습니다. '얼마나 뻘리 반응물이 사라지는가', 또는 '얼마나 빨리 생성물이 생기는가'를 화학 반응 속도라고 합니다.

같은 조건(예를 들어, 같은 온도)이라도 어떤 반응인지에 따라 화학 반응 속도가 다릅니다. 어떤 요인들이 화학 반응 속도에 영향을 줄까요? 알아봅시다.

화학 반응에 대한 여러 연구 결과를 바탕으로 과학자들은 반응이 일어나기 위해 다음과 같은 조건이 '동시에' 만족되어야 한다는 이론을 세웠습니다.

    i, 반응물 입자들(원자,분자,이온, 등)이 충돌하여야 한다,
    ii. 충돌할 때 반웅물 입자들이 충분한 에너지를 가지고 있어야 한다
    iii. 충돌할 때 반응물 입자들이 바른 방향으로 충돌하여야 한다.

정리하면, 반응물 분자들이 충분한 에너지를 갖고 바른 방향으로 충돌할 때에만 생성물이 된다는 것입니다. 이 이론을 충돌 이론이라고도 부릅니다. 각각을 조금 더 자세히 살펴봅시다. (* 아래의 내용에는 운동에너지 / 위치에너지와 같은 개념이 포함되어 있습니다. 그 부분이 아주 어렵게 느겨진다면 지금은 대략적인 것만 이해하고 넘어가기를 권합니다.)

 

1.반응 속도에 영향을 주는 요인

 

    A. 충분한 에너지를 가진 충돌: 활성화 에너지

    화학 반응은 반응물에 있는 결합 일부가 깨어지고, 생성물에서 새로운 결합이 생기는 과정입니다. 예를 들어, 수소와 산소의 반응에서는 수소 원자들을 단단히 묶어주는 H-H 결합 2개와 산소 원자들을 묵어주는 O-O 결합 1개가 갸어지고, 4개의 O-H 결합이 생깁니다.

    2 H-H + O-O -> 2H-O-H

     

    화학 반응 동안 일어나는 에너지의 변화를 이해히기 위해 한 번의 충돌로 생성물이 되는 다음의 반응을 생각해봅시다. 이 반응에서는 B-B 결합 1개가 깨어지고, 새로운 결합 A-B 1개가 생깁니다..

    예: A + B-B -> A-B + B

     

    이 반응이 일어나는 중간 어느 지점에서는 B-B 결합의 일부가 깨어지고, A-B 결합의 일부가 생겨 가고 있을 것입니다. 이러한 상태는 원자들이 서로 끌어당기는 힘이 작아진 상태로, 반응물 입자들에 비해 (전기적) 위치에너지가 높은 상태입니다.(* 인력이 클수록 위치에너지는 작습니다.)

     

     

    즉, 반응물이 생성물로 바뀌기위해서는 넘어야 하는 위치에너지 장벽이 있다는 뜻입니다. 이 에너지는 어디에서 올 수 있을까요? 그것은 반응물 입자들이 가진 운동에너지입니다. 충분히 많은 운동에너지를 가진 입자들이 중돌할 때 밀부가 위치에너지로 바뀌어, 위치에너지 장벽을 넘을 수 있습니다.

     

     

    이것은 자전거를 타고 가다 낮은 언덕을 만났을 때 속력아 클 때에는 언덕을 넘어가지만, 속력이 작을 때엔 넘을 수 없는 것과 비슷합니다.

     

     

    반응물이 생성물로 바뀌기위해서 넘어야 하는 위치에너지 장벽을 활성화 에너지라고도 부릅니다. 따라서 활성화 에너지는 반응물이 생성물로 바뀌기 위해 필요한 최소의 에너지입니다. 즉, 반응물 입자들이 적어도 활성화 에너지 보다 많은 운동에너지를 가지고 충돌할 때에만 생성물로 바뀔 가능성이 있습니다.

     

    B. 바른 방향을 가진 충돌

    반응물들이 충돌할 때 충돌 방향이 적절해야 생성물로 바뀔 가능성이 있습니다. 예를 들어, 다음과 같은 반응을 생각해봅시다.

    예: A + B-C -> A-B + C

     

    위의 그림에서 첫번째 충돌은 새로 결합을 만드는 원자끼리 충돌하여 생성물을 만듭니다. 반면, 두번째 충돌은 새로 결합을 만드는 원자끼리 충돌하지 못하므로 생성물이 되지 못합니다.

 

 

2.느린 반응, 빠른 반응

 

    위에서 알아본 반응 속도에 영향을 주는 요인들을 종합하여 어떤 특징을 갖는 반응의 속도가 빠르고, 어떤 특징을 갖는 반응의 속도는 느릴지 생각해봅시다. 반응물 입자들은 특정 온도에서 모두 같은 속력으로 움직이고 있지 않습니다. 일부는 천천히, 일부는 빠르게 움직입니다.

    먼저 활성화 에너지의 크기는 반응 속도에 어떤 영향을 줄까요? 반응물 입자들이 활성화 에너지 이상의 에너지를 가지고 충돌하여야 생성물이 될 수 있습니다.그러므로 화확 반응의 활성화 에너지가 작을 때에 비해 활성화 에너지가 큰 경우 그것보다 많은 에너지를 갖는 반응물 입자들의 수가 작을 것입니다. 따라서 반응 속도가 느립니다.

    출동 방향 문제는 어떻게 반응 속도에 영향을 줄까요? 만약 반응물 입자들이 어느 방향으로 충돌하더라도 생성물로 바뀔 수 있다면 반응 속도가 빠를 것입니다.

    예: A + B -> A-B

     

    반면, 만약 특정한 방향으로 충돌하여야 생성물로 이를 수 있다면 많은 충돌들이 생성물로 이어지지 못하고, 아주 일부 충돌만 생성물로 이를 것입니다.

    예: A + B-C-D -> A-B + C-D

    따라서 충돌 방향성에 대해 까다로운 정도가 작을수록 반응 속도는 큽니다.

 

정리하면, 활성화 에너지가 낮고, 충돌 방향에 대해 까다롭지 않은 반응은 반응 속도가 아주 클 가능성이 높습니다. 반면, 활성화 에너지가 높고 충돌 방향에 대해 까다롭다면 반응이 아주 느릴 가능성이 큽니다.

 

 

 

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