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화학 반응 속도는 온도 변화에 민감합니다. 10 도가 오르면 반응 속도가 3~4배 빨라질 수 있는데 왜 그럴까요? 반응의 속도 법칙은 반응물 농도와 반응 속도 사이의 관계를 정의합니다.
농도가 온도와 무관하므로 속도 상수만 유지되어 온도에 따른 반응 속도에 영향을 미칩니다. 따라서 1889년 스웨덴의 화학자 스반테 아레니우스는 반응 속도의 온도 의존성이 속도 상수에 포함된다고 결론을 내렸습니다. 속도 상수는 아레니우스 방정식을 통해 분자의 충돌, 방향 및 반응의 활성화 에너지와 관련된 온도와 운동 파라미터 사이의 관계를 설명합니다.
A는 아레니우스 상수 또는 주파수 인자라고 하는 상수이며, e는 몰 당 줄 단위로 측정한 활성화 에너지, 기체 상수 및 켈빈 단위 온도를 통합하는 지수 인자입니다. 매개 변수의 온도 의존성은 화학 반응을 일으키기 위해 반응하는 분자가 올바른 방향에서 충분한 에너지를 가진 분자와 충돌해야 한다는 충돌 모델로 설명될 수 있습니다. 주파수 인자는 충돌 빈도와 방향 인자의 두 가지 성분으로 구성됩니다.
충돌 빈도는 단위 시간당 분자 충돌 횟수이며 방향 인자는 유리한 방향으로 충돌할 확률을 나타냅니다. 그러나 여전히 충돌에서 아주 적은 부분만이 반응을 일으킵니다. 이것은 반응하는 분자들이 생성물로 변화하기 위해서는 활성화 에너지라고 불리는 에너지 장벽을 극복해야 하기 때문입니다.
충분한 운동 에너지를 가지고 충돌하는 분자들만이 전이 상태 또는 활성화된 복합체라고 불리는 고 에너지 중간체로 변환하기 위해 필요한, 결합을 구부리고, 늘리거나, 또는 끊을 수 있는 충분한 잠재적 에너지를 가질 것입니다. 수명이 짧고 불안정한 활성화 착물은 에너지를 잃고 안정적인 생성물을 형성하는데 이 때 총 에너지는 반응물보다 낮습니다. 아레니우스 방정식의 지수 인자는 생성물을 생성하는 성공적인 충돌의 몫을 나타냅니다.
온도 증가는 빈도 인자와 지수 인자 모두에 영향을 미칩니다. 온도가 상승할 때 분자는 더 빠르고 더 힘있게 움직이며 이로부터 열에너지가 더 높아 더 유리한 충돌로 이어집니다. 따라서 온도 증가에 따라 빈도와 지수 인자가 더 커서 속도 상수가 증가하게 되고 결과적으로 반응 속도가 빨라집니다.
충돌 이론
원자, 분자 또는 이온은 서로 반응하기 전에 충돌해야 합니다. 화학 결합을 형성하려면 원자가 서로 가까워야 합니다. 이 전제는 반응 속도에 영향을 미치는 요인을 포함하여 화학적 동역학에 관한 많은 관찰을 설명하는 이론의 기초입니다.
충돌 이론은 (i) 반응…