화학반응속도론 레포트

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목차

1. 반응속도(reaction rate)
2. 속도법칙과 반응차수
3. 속도법칙의 실험적 측정
4. 일차 반응의 적분 속도 법칙
5. 일차반응의 반감기
6. 이차 반응
7. 반응 메카니즘
8. 속도법칙과 반응메카니즘
9. 반응속도와 온도 : 아레니우스 식
10. 아레니우스 식의 이용
11. 촉매
12. 균일 및 불균일 촉매

본문내용

단일 단계로 일어나면 이
반응의 실험적 속도식은 그 단일 단계 반응의 속도식과 같다.
- 전체 반응이 두 단계 이상의 단일단계 반응으로 일어날 경우, 흔히 이중 한 단계가 다른
것들보다 대단히 느리게 일어난다. 반응메커니즘에서 가장 느린 단계를 속도결정단계
(rate-determining step)라고 하는데, 이것은 이 단계가 병목현상을 일으켜 반응과정에 서 전체 반응속도를 결정하기 때문이다.
- 타당하다고 수용할 수 있는 반응메커니즘은 다음 두가지 조건을 만족해야 한다.
1) 각 단일단계의 합은 전체 반응식과 같다.
2) 메커니즘은 관찰된 전체속도식에 부합된다.
9. 반응속도와 온도 : 아레니우스 식
- 충돌론(collision theory) 모델에 따르면 이분자 반응은 두 분자가 적절한 배향과 충분한
에너지를 가지고 충돌할 때 일어난다.
- 간단한 반응을 예로들면, 원자 가 이원자 분자인 와 충돌하여 이원자 분자인 와
원자를 생성하는 경우이다.
- 만약 이 반응이 한 단계로 일어난다면, 세 원자핵에 대한 전자분포가 충돌과정에서 바뀌
어야 한다. 즉, 간에 새로운 결합이 만들어지고 동시에 간의 결합은 깨어져
야 한다. 이 과정에서 세 원자는 서로 같은 정도로 약하게 결합된 구조를 거치게 된다.
- 와 가 둘다 채워진 궤도(쌍을 이루지 않은 전자가 없거나, 비어있는 낮은 에너지
궤도가 없을 때)만을 가지고 있으면 서로 반발하게 된다. 구조가 만들어지기
위해서는 이 반발을 이길 수 있는 에너지가 필요하다. 그래서, 반응물이 생성물로 바뀌
기 위해서는 pic 9.에 나타낸 것처럼 위치에너지 장벽을 넘어야 한다.
pic 9. → 반응에서 반응물과 생성물 사이의 활성화 에너지 장벽을 나타낸 그림
- 에너지 장벽의 높이를 활성화에너지(activation energy), , 라고 하며, 위치에너지가 가
장 높은 상태에서의 구조를 전이상태(transistion state) 또는, 활성화물(activated
complex)이라고 한다. 충돌과정에서 에너지가 보존되므로, 충돌에너지가 최소한 만큼
크면 반응물은 장벽을 넘어 생성물로 바뀌게 된다.
- 기체상태에서의 충돌빈도는 초당 1회 충돌한다고 볼 수 있다.
하지만 충돌시 활성화에너지 만큼 큰 충돌 에너지를 갖는 경우가 드물어 극히 일부만이
반응을 일으켜 반응은 수 분 내지 수 시간이 걸린다.
- 충돌시 활성화에너지 이상의 에너지를 갖는 분자의 분율을 pic 10.에 나타내었다.
보다 오른쪽 부분의 곡선 아래 면적이 이 분율에 해당된다. 분율 는 다음식에 의하여
정량적으로 나타낼 수 있다.
- 여기서 는 이고, 은 기체상수 [], 는 켈빈단위로 나타낸
절대 온도이다.
pic 10. 서로 다른 두 온도에서 특정에너지 이상의 에너지를 갖는 충돌의 분율.
- 온도가 증가함에 따라 충돌에너지의 분포는 더 작아지고 높은 에너지쪽으로 이동한다.
결과적으로 반응에 충분한 에너지를 갖는 충돌의 분율은 지수함수적으로 증가하게 된다.
- 생성물을 만들 수 있는 충돌의 분율은 배향조건 때문에 더욱 줄어든다. 비록 반응에 충
분한 에너지를 가지고 충돌했어도, 상대편 분자의 배향이 전이상태를 만들기에 적합하지
않으면 반응할 수 없다.
이 경우 반응분자들은 단순히 충돌했어도 반응하지 못하고, 분리된다.
- 생성물이 만들어질 수 있는 적합한 배향을 갖는 충돌의 분율을 입체인자(steric factor,
)라고 한다.
- 와 라고 하는 두 분자의 충돌빈도가 이 분자들의 농도에 비례한다고 하면,
충돌빈도 =
여기서 는 충돌수에 관계된 상수이며, 2차 속도상수와 같은 의 단위를 갖는
다. 반응속도는 충돌빈도보다 인자 만큼 작은 값을 갖는데,
속도식은 다음과 같으므로
속도
또는
이 식을 아레니우스 식이라 부른다.
아레니우스 식 :
상수는 잦음률(frequency factor) 또는, 지수앞 인자라고 부른다.
10. 아레니우스 식의 이용
- 아레니우스 식은 어떤 반응에 대하여 서로 다른 두 온도에서의 속도상수를 구하고, 이
식에 대입하면 이것으로부터 활성화에너지 를 구할 수 있다.
- 아레니우스식의 양변에 대하여 자연대수를 취하면 다음과 같다.
또는 상용대수를 취하면 다음과 같다.
이 식은 의 형식으로 다시 정리할 수 있으며,
여기서 이다. (기울기)
단지 두 온도와 속도상수로부터 활성화에너지를 구하려면,
온도에서
온도에서
두 번째 식으로부터 첫 번째 식을 빼면(여기서 ) 다음식을 갖
는다.
- 위식에서 온도 과 에서의 속도상수 과 를 대입하면 바로 를 계산할 수 있
다. 같은 방법으로, 와 온도 에서의 속도상수 을 알면, 온도 에서의 속도상수
를 계산할 수 있다.
11. 촉매
- 촉매(catalyst)란 반응에서 소비되지 않으면서 반응속도를 증가시키는 물질을 말한다.
- 촉매는 두가지 방법으로 반응을 촉진한다.
아레니우스 식에서 잦음률 를 증가시키거나 활성화에너지 를 낮추는 것이다.
- 반응속도 상수는 활성화에너지 에 더욱 민감하므로 일반적으로 촉매는 활성화에너지
를 낮추는 역할을 한다.
pic 12. 촉매에 의하여 활성화에너지가 낮아지는 반응의 전형적인 위치에너지 곡선.
그림 a의 에너지 장벽은 촉매에의한 분해반응을 나타내고 있다. 첫 번째 에너지장벽은 속도결정단계이므로 두 번째 것보다 더 높다. 그러나, 둘 다 두 번째의 촉매가 없을 때의 반응(b)의 에너지방벽 높이보다 낮다. 촉매는 반응물이나 생성물의 에너지에는 영향을 주지 않음에 유의하라.
12. 균일 및 불균일 촉매
- 촉매는 보통 균일한 것과 불균일한 것으로 분류한다.
- 균일촉매는 반응물과 같은 상으로 존재하는 것이다.
- 불균일 촉매는 반응물과 다른 상으로 존재하는 촉매이다. 보통 불균일 촉매는 고체이고
반응물은 기체이거나 액체이다.
- 불균일 촉매 작용의 메카니즘은 복잡하고 이해하기 어렵다. 중요한 것은,
1) 촉매 표면위로 반응물의 흡착
2) 표면위에서 반응물이 생성물로 전환
3) 표면으로부터 생성물이 제거
- 흡착단계는 반응물들의 결합을 약화시키든지 또는 끊어지도록 그 표면에서 촉매 금속 원
자들과 반응물들간에 화학결합이 이루어지는 것으로 생각된다.

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