온도 의존성

화학 동역학

반응 속도는 화학 반응이 발생하는 속도입니다. 반응 속도는 시간에 따른 반응에서 성분의 농도 변화로 정의됩니다. 반응 속도는 반응물의 농도 및 반응이 수행되는 온도를 포함한 여러 요인에 따라 달라집니다. 각 반응물은 특정 요인에 의해 반응 속도에 기여합니다. 이 관계는 반응 속도 법칙에 의해 정의됩니다.

요율법

속도 법칙은 반응물의 농도 A와 B, 그리고 반응 순서 m과 n 사이의 관계를 설명하는 방정식입니다. 속도 상수 k는 반응물의 농도 및 순서를 반응 속도와 관련시킵니다. 이는 반응이 수행되는 온도로 반응에 따라 달라집니다.

r = k [A]^m[B]ⁿ for aA + bB → cC

Arrhenius 방정식

Arrhenius 방정식은 반응 속도 상수를 화학 반응의 활성화 에너지와 관련시킵니다. 활성화 에너지는 화학 반응이 진행되기 위해 필요한 에너지의 양으로 정의됩니다. 반응이 이 활성화 에너지 요구 사항을 충족하지 않으면 반응이 진행되지 않습니다.

k와 온도 사이의 음의 지수 관계는 온도가 증가함에 따라 k의 값도 증가한다는 것을 나타냅니다. 속도 상수는 다양한 온도에서 실험적으로 결정할 수 있기 때문에 활성화 에너지는 Arrhenius 방정식을 사용하여 계산할 수 있습니다. 양쪽의 자연 로그를 취함으로써 Arrhenius 방정식은 선형 방정식으로 다시 작성됩니다.

ln k 대 1/T의 플롯은 기울기가 -E_a/R이고 ln A의 y절편을 갖는 직선을 생성합니다. 이상 기체 상수 R이 알려져 있기 때문에 E_a는 서로 다른 온도에서 일련의 k 값을 사용하여 그래픽으로 결정할 수 있습니다.

촉매와 활성화 에너지

일부 화학 반응은 반응이 전혀 진행되지 않더라도 천천히 진행되도록 하는 충분히 큰 활성화 에너지를 가지고 있습니다. 과산화수소가 산소와 물로의 분해 반응은 자발적으로 발생하지만 믿을 수 없을 정도로 느린 속도로 발생합니다. 이 초기 장벽을 극복하는 한 가지 방법은 열의 형태로 에너지를 공급하는 것입니다. 그러나 과도한 열은 생성물 또는 반응물의 안정성에 영향을 미치거나 부반응을 촉진할 수 있으므로 이것이 항상 이상적인 것은 아닙니다.

화학 반응을 위한 활성화 에너지는 촉매를 사용하여 변경할 수 있습니다. 촉매는 화학 반응의 활성화 에너지를 낮추지만 반응에 의해 소비되지 않습니다. 즉, 촉매는 임계 활성화 에너지 요구 사항을 더 쉽게 극복할 수 있도록 하여 화학 반응을 촉진합니다. 과산화수소의 분해에서 질산철을 첨가하면 활성화 에너지가 낮아지고 반응이 더 빠른 속도로 진행될 수 있습니다. 그러나 촉매가 반응 속도에 영향을 미칠 수 있지만 촉매는 반응에 의해 생성된 생성물의 양을 변경하지 않는다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.

참조

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). 화학 및 화학 반응성. 캘리포니아 벨몬트 : Brooks / Cole, Cengage Learning.
2. Silberberg, M.S. (2009). 화학: 물질과 변화의 분자적 성질. 매사추세츠주 보스턴: 맥그로 힐.

반응이 얼마나 빨리 진행되는지를 측정한 것을 반응 속도라고 합니다. 화학 반응 속도는 반응 속도와 반응물 농도 사이의 관계를 설명하는 속도 법칙에 의해 정의됩니다. 이 방정식에서 k는 속도 상수, A와 B는 두 반응물, m과 n은 각각의 반응 순서입니다.

속도 상수는 관계를 적절한 속도 단위, 초당 리터당 몰로 변환합니다. 따라서 속도 상수는 반응의 전체 순서에 따라 다른 단위를 갖습니다. 그러나 속도 상수는 단순한 단위 변환보다 더 중요합니다. 속도 상수는 활성화 에너지라고 하는 화학 반응이 일어나는 데 필요한 최소 에너지량과 관련이 있습니다.

반응에서 반응물은 위치 에너지의 초기 상태에 있습니다. 반응이 진행됨에 따라 최종 상태에 도달하기 전에 특정 위치 에너지, 즉 활성화 에너지를 극복해야 합니다. 반응의 알짜 에너지는 초기 상태와 최종 상태 간의 차이입니다. 이 차이는 반응이 에너지를 방출한다는 것을 의미하는 음수일 수도 있고 에너지를 흡수한다는 것을 의미하는 양수일 수도 있습니다.

활성화 에너지를 극복할 수 있는 에너지가 충분하지 않으면 반응이 진행되지 않습니다. 어떤 경우에는 에너지가 열의 형태로 공급될 수 있습니다. 이는 활성화 장벽을 극복하기 위한 추가 에너지를 제공하고 반응을 진행할 수 있습니다. 촉매를 추가할 수도 있으며, 이는 반응물과 생성물 사이에 대안적인 낮은 활성화 에너지 경로를 제공합니다.

촉매는 반응에서 소비되지 않으므로 반응의 순 에너지에 영향을 미치지 않습니다. 활성화 에너지는 실험적으로 결정되며, A는 사전 지수 또는 주파수 계수, R은 범용 기체 상수, T는 반응이 발생하는 절대 온도인 Arrhenius 방정식에 의해 반응 상수 k와 관련됩니다.

이 방정식에서 우리는 반응 온도를 높이거나 활성화 에너지를 줄이면 속도 상수가 증가한다는 것을 알 수 있습니다. 속도 법칙 방정식으로 돌아가서, 속도 상수가 높을수록 반응 속도가 높아집니다. 온도가 상승함에 따라 분자가 더 빨리 움직이고 더 자주 충돌하여 활성화 에너지보다 더 높은 에너지를 가진 분자의 비율이 증가하기 때문에 이는 의미가 있습니다.

이 실습에서는 과산화수소의 분해를 모델 반응으로 사용하여 실험적으로 반응의 활성화 에너지를 측정하는 방법을 배웁니다.