13.2: 반응 속도 측정

편광 측정법은 화학 반응 중 광학 활성 물질의 농도와 반응 동역학을 측정하기 위해 화학 동역학에 적용됩니다. 광학 활성 물질은 이를 통과하는 선형 편광의 편광면을 회전시키는 능력(광회전이라고 하는 기능)을 가지고 있습니다. 광학 활성은 물질의 분자 구조에 기인합니다. 일반적인 단색광은 편광되지 않으며 전파 방향에 수직인 가능한 모든 평면에서 전기장의 진동을 갖습니다. 무편광된 빛이 편광판을 통과하면 한 면에서 진동을 유지하는 선형 편광이 나옵니다.

편광계 기기는 빛의 편광 방향이나 광학 활성 물질에 의해 생성된 회전을 결정합니다. 편광계에서는 평면 편광을 반응 용액이 담긴 관에 도입하고 시스템을 방해하지 않고 반응을 추적할 수 있습니다. 샘플에 광학적으로 비활성인 물질이 포함되어 있는 경우 편광면의 방향에는 변화가 없습니다. 빛은 분석기 화면에서 동일한 강도로 볼 수 있으며 회전 각도 판독값(ɑ)은 0도로 표시됩니다.

그러나 반응 샘플에 광학 활성 화합물이 존재하면 통과하는 편광 평면이 회전하게 됩니다. 밖으로 나오는 빛은 덜 밝아집니다. 최대 밝기를 관찰하려면 분석 장치의 축을 시계 방향(우회전) 또는 시계 반대 방향(좌회전)으로 회전해야 합니다. 분석기를 회전해야 하는 방향은 존재하는 화합물의 특성에 따라 다릅니다. 측정된 선광도는 샘플에 존재하는 광학 활성 물질의 농도에 비례합니다. 다양한 시점에서 회전 각도 측정을 분석함으로써 광학 활성 화합물의 농도를 시간의 함수로 결정할 수 있습니다.

분광법

화학 반응을 모니터링하고 반응 동역학에 대한 정량적 정보를 확보하기 위해 분광법과 같은 광학 실험 기술도 자주 사용됩니다. 분광법을 사용하면 특정 파장의 빛이 반응하는 샘플을 통과하게 됩니다. 샘플 내의 분자 또는 화합물(반응물 또는 생성물)은 일부 빛을 흡수하는 반면 검출기에 의해 측정되는 나머지 양은 투과할 수 있습니다. 흡수되는 빛의 양은 관심 있는 화합물이나 분자의 농도에 따라 달라집니다. 예를 들어 화합물의 농도가 높을수록 흡광도도 커집니다. 흡광도를 통해 장비는 관심 화합물의 농도를 결정할 수 있습니다. 반응 샘플에서 주기적인 간격으로 측정된 흡광도는 반응물 또는 생성물의 농도를 시간 함수로 계산합니다.

압력 측정

기체상 물질과 관련된 반응의 경우, 반응 동역학은 압력 변화의 함수로서 기체 몰 수의 변화를 정량화하는 것입니다. 기체상 반응의 실험 설정은 기체 반응물이나 생성물의 압력을 측정할 수 있는 압력계에 연결될 수 있습니다. 반응이 진행됨에 따라 반응물의 압력은 감소하고, 생성물의 압력은 증가합니다. 이는 압력계를 사용하여 시간의 함수로 측정할 수 있습니다. 이상기체 법칙(기체의 농도는 부분압에 비례함)을 사용하여 화학 반응 속도를 계산할 수 있습니다.

반응 속도는 시간의 함수로써 반응물 또는 생성물의 농도 변화를 결정하여 계산할 수 있습니다. 농도 변화는 편광측정법, 분광측정법 또는 압력 측정법과 같은 실험 기법으로 측정할 수 있습니다. 편광측정법은 평면 편광 조명과 한 평면을 따라 향하는 전기장을 사용합니다.

이 방법에서는 편광 빛을 회전시키는 화합물의 능력을 측정하며 회전은 존재하는 화합물의 분자 구조에 따라 달라집니다. 포도당과 과당을 생성하는 자당의 가수 분해를 고려해보세요. 편광계는 반응하는 자당 용액을 통해 들어오는 평면 극광의 회전 정도를 측정하는 데 사용됩니다.

자당은 시계방향 회전을 일으키는 반면 포도당과 과당은 시계반대방향 회전을 일으킵니다. 정해진 시간 간격으로 빛의 회전 정도를 측정하여 자당, 포도당 또는 과당의 상대적 농도를 계산하고 반응 속도를 결정할 수 있습니다. 반응 속도는 또한 반응물이나 생성물의 특정한 파장의 빛을 흡수하는 능력을 활용하고 분광 광도 측정법을 사용하여 측정할 수 있습니다.

주목 물질의 농도가 높을수록 광 흡광도가 강해집니다. 예를 들어 무색의 수소 기체는 보라색 요오드 증기와 반응하여 무색의 요오드화수소를 형성합니다. 요오드 증기는 황록색 영역의 빛을 흡수하고 보라색 빛을 반사합니다.

반응 중에 분광 광도계는 샘플이 흡수하는 빛의 양을 측정하고 전송된 빛을 분석합니다. 따라서 반응이 진행됨에 따라 황녹색 빛의 흡수력 감소에 의해 요오드 증기 농도의 감소가 관찰됩니다. 비어-람베르트 법칙을 사용하여 서로 다른 시점에 흡수되는 빛의 강도를 계산할 수 있으며 이 강도는 농도 변화와 관련이 있습니다.

또는 반응물 또는 생성물 중 하나가 기체인 경우 압력 측정법을 사용하여 압력 변화를 모니터링하여 반응 속도를 결정합니다. 예를 들어 과산화수소의 분해 중 반응 속도을 압력계로 연구하여 방출되는 산소 기체의 압력을 모니터링합니다. 반응이 진행되어 더 많은 산소 기체가 증발되면 압력은 증가합니다.

이상 기체 방정식을 사용하여 서로 다른 시점에 기록된 압력 값을 농도로 변환합니다. 시간의 함수로써의 농도 변화를 사용하여 반응 속도를 결정합니다. 반응이 길어질 경우 반응 혼합물에서 일정한 시간 간격으로 샘플 또는 액체를 추출할 수 있습니다 그런 다음 가스 크로마토그래피, 질량 분석 또는 적정화와 같은 계측기 기술을 사용하여 상대 농도를 측정하여 반응 속도를 계산합니다.