화학 반응

개요

화학반응(chemical reaction)은 물질의 원자에 있는 결합이 새로운 물질을 생성하기 위하여 재배열되는 과정입니다. 물질은 화학반응으로 생성되거나 파괴될 수 없습니다. 즉, 반응물(reactant)을 구성하는 원자의 유형과 수는 생성물(product)에도 동일하게 존재합니다. 단지 화학결합의 재배열만이 새로운 화합물을 만들어냅니다.

화학반응이 원자들의 재배치를 일으켜 새로운 물질을 형성

화학반응은 반응 전 물질인 반응물을 이용해 다른 물질인 생성물로 바꿉니다. 원소 자체는 방정식의 양쪽에 동일하게 있지만 반응이 일어난 후에는 다른 물질로 배열됩니다. 화학 반응 시 원자 간의 결합이 깨지고 재생성 되는데 이는 원자 간에 공유된 전자들이 재배치된다는 것을 의미합니다. 화학반응은 자발적(spontaneous)일 수 있고, 열이나 빛과 같은 에너지원이 있는 경우에만 발생할 수도 있습니다. 또한 거대분자(macromolecule)는 화학반응을 크게 가속시키는 효소(즉, 촉매)로 작용할 수 있습니다. 대부분의 생물학적 화학반응은 효소 없이는 반응이 끝나는데 너무 오래 걸릴 것입니다.

화학반응은 영구적일 수도 있고 되돌릴 수도 있습니다

어떤 유형의 화학반응은 모든 반응물이 사용될 때까지 되돌릴 수 없을 정도로 진행되기도하고 (비가역 반응), 어떤 유형의 화학반응은 조건이 변경되면 다시 반응물로 되돌릴 수 있습니다 (가역반응). 연소반응이나 두 가지 용해 물질에서 고체 생성물을 형성하는 앙금생성반응과 같은 특정 유형의 화학 반응은 일반적으로 한 방향으로만 진행됩니다. 비가역 반응의 예로는 대기 산소가 있는 곳에서 연소하여 열과 빛 에너지 그리고 이산화탄소 가스와 물을 생산하는 탄화수소 연료의 연소가 있습니다. 어떤 화학반응은 반응물과 생성물이 화학적 평형(반응물과 생성물 질량이 변하지 않는 상태)에 도달할 때 까지 양쪽(정반응과 역반응)으로 진행되기도 합니다.

질량보존법칙과 화학 반응식의 균형

화학반응에서 물질은 질량보존법칙(the Law of Conservation of Matter)에 따라 새로 생성되거나 파괴될 수 없습니다. 그러나 종종 형성되는 생성물이 반응물과 다른 비율의 원자를 포함하기도 합니다. 균형을 맞춘 화학 반응식은 반응식 양쪽에 있는 원자를 정확히 설명하기 위해 반응물 원자의 수가 생성물 원자의 수와 동일해질 때 까지 반응물과 생성물에 계수(coefficient)를 더합니다. 계수는 수학적 계수가 지수법칙을 따르는 것 처럼 화합물의 모든 원자에 적용됩니다. 예를 들어 수소 및 산소 가스에서 물을 생성하는 반응은 다음과 같습니다.

H₂ + O₂ → H₂O

위의 반응식은 균형이 잡혀있지 않습니다. 양쪽에 두 개의 수소 원자가 있지만 산소 원자의 수는 같지 않습니다. 반응식의 균형을 맞추기 위해선 화학식 양쪽에 동일한 수의 수소와 산소 원자가 있도록 만드는 계수를 추가합니다.

2H₂ + O₂ → 2H₂O

위와 같이 균형 잡힌 반응식에서는 반응식의 양쪽에 총 4개의 수소 원자와 2개의 산소 원자가 있습니다.

세포를 돌아가게 만드는 화학반응

지구상의 모든 생명체의 대부분을 움직이는 두 가지 중요한 과정은 광합성(즉 햇및을 6-탄소 포도당으로 변환하는 과정) 그리고 세포호흡(포도당을 사용 가능한 에너지로 변환하는 과정)입니다. 이 두 가지 필수 반응은 한 쌍의 보완적인 화학반응입니다. 광합성 생물은 햇빛으로부터 나오는 에너지를 사용하여 이산화탄소와 물을 당과 분자 산소로 변환합니다. 그리고 호기성 생물은 그 당을 분해하기위해 세포호흡을 합니다. 결론적으로 산소가 있는 곳이라면 생물은 기본적으로 필요한 에너지를 생산하기위해 당을 생산하거나 소모합니다.