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▶ 화학 반응 속도에 영향을 주는 요인 |
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같은 화학 반응이라도 여러 조건에 따라 반응 속도가 다릅니다. 어떤 요인들이 반응 속도에 영향을 주는지 알아봅시다.
A. 반응물의 농도 반응물의 농도는 반응 속도와 어떤 관계가 있을까요? 대부분의 반응은 반응물의 농도가 커질수록 반응 속도가 빨라집니다. 다음 동영상은 20%만 산소인 공기 중에서와 순수한 산소에서 인과 산소의 반응 속도 차이를 보여줍니다. 아래 동영상에서 인에 불을 붙이는 것은 반응을 시작시키기 위해서 입니다.
(* 동영상 출처:Phosphorus burning in atmosphere of pure oxygen)
그렇다면 반응물의 농도가 높을수록 반응 속도가 커지는 이유눈 무엇일꺼요? 화학 반응이 일어나기 위해서는 반응물 입자들이 서로 충돌해야 합니다.(* 참조: 빠른 반응과 느린 반응 : 활성화 에너지) 따라서 반응물 입자들이 자주 충돌할수록 반응이 일어날 확률이 커지고, 반응 속도가 커집니다. 반응물의 농도가 높을수록 반응물 입자들이 더 조밀하게 있으며, 입자들이 조밀하게 있을수록 자주 총돌하게 됩니다. 따라서 반응물의 농도가 높을수록 반응 속도가 커집니다.
만약 반응물이 기체 상태라면 기체 전체 부피에 반응물 입자들이 얼마나 많이 들어 있는가로 농도를 나타낼 수 있습니다. 또는 기체의 압력이 기체 입자들이 얼마나 조밀하게 모여 있는 가를 보여주므로 기체의 압력을 농도 대신 이용할 수 있습니다. 정리하면, 반응물의 농도가 높을수록, 기체인 경우 압력이 높을수록 반응 속도가 커집니다 (* 단, 반응이 여러 단계를 거쳐 이루어지는 경우, 일부 반응물의 농도가 반응 속도에 영향을 주지 않을 수도 있습니다.)
B. 온도 우유가 상하면 시큼한 맛을 내는 다른 물질이 만들어집니다. 이 과정도 화학 반응입니다. 여름과 겨울 중 언제 우유가 빨리 상하나요? 물론 여름입니다. 여름에는 겨울보다 온도가 높습니다. 이러한 관찰로부터 온도가 높으면 반응 속도가 커진다는 것을 짐작할 수 있습니다. 그렇다면 온도가 높아질수록 반응 속도가 빨라지는 이유는 무엇일까요? 먼저, 온도가 올라가면 반응물 입자들이 더 빠르게 운동합니다. 그 결과 입자들이 더 자주 충돌합니다. 자주 충돌할수록 생성물로 바뀔 기회가 더 많아지므로 반응 속도가 커집니다.
온도가 올라가면 반응 속도가 커지는 더 중요한 이유는 활성화 에너지(* 참조: 빠른 반응과 느린 반응 : 활성화 에너지)와 관계가 있습니다. 온도가 올라가 반응물 입자들이 더 빠르게 운동하며 더 큰 운동에너지를 갖게 됩니다. 그 결과 활성화 에너지 이상을 갖는 충돌이 더 많아지므로, 반응 속도가 커집니다.
대부분의 화학 반응은 온도가 올라가면 반응 속도가 커집니다. 아주 드문 경우 온도가 반응 속도와 무관하거냐, 온도가 올라가면 반응 속도가 작아지는 경우도 있다고 합니다.
C. 촉매 아주 느리게 일어나는 반응을 좀 더 빨리 일어나게 하고 싶을 때도 있고, 빠르게 일어나는 반응을 좀 느리게 하고 싶을 때도 있습니다. 그럴 경우에 사용하는 물질이 바로 촉매입니다. 촉매는 자신은 반응하지 않으면서, 반응의 속도만 조절해줍니다. 반응 속도를 증가시키는 촉매를 정촉매, 반응 속도를 감소시키는 촉매를 부촉매라고 부릅니다. 촉매는 화학 반응의 '속도 조절 도우미'라고 할 수 있습니다.
그렇다면 정촉매는 어떻게 반응 속도를 증가시켜 줄까요? 정촉매는 활성화 에너지가 낮은 새로운 반응 경로를 만듭니다. 예를 들어, 아래와 같은 반응은 활성화 에너지가 아주 높아 극히 일부의 반응물 입자들만 생성물로 변랍니다. 따라서 반응 속도가 아주 작습니다.
이 반응의 속도를 증가시킬 수 있는 촉매(
우리의 소화기관에서 일어나느 소화 작용은 여러 화학 반응으로 이루어져 있습니다. 만약 촉매가 없다면 소화 작용은 아주 천천히 일어날 것입니다. 생명체 내에서 일어나는 화학 반응 속도를 높이는 촉매를 특히 효소라고 부릅니다. 소화 효소는 소화와 관련된 화학 반응의 촉매를 말합니다. |
)를 넣어봅시다. 촉매 입자는 이래 그림처럼 2단계의, 낮은 활성화 에너지를 갖는 새로운 경로를 만듭니다. 그 결과 반응 속도가 증가합니다.
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