반응속도와 온도에 대한 Q&A
반응속도는 반응을 일으키기 위한 활성화에너지와 관계됩니다.~
즉, 반응을 일으키기 위한 활성화에너지의 크기가 율속단계(속도결정단계)란 예기죠~
발열반응이나 흡열반응은 반응을 일으킨 후 에너지 준위에 따라 결정됩니다.
즉, 에너지 상태가 더 안정한 상태로 내려가면 말 그대로 발열반응이 되는 거구여
에너지 상태가 더 불안정한 상태로 전이되면 흡열반응이 되는 겁니다.
화학 평형과는 전혀 무관한 내용이죠~
화학 평형은 얼마만큼 반응이 진행되는가의 문제가 되겠죠~
위에서 언급한데로 어떤 반응물질이 활성화 에너지 이상의 에너지를 받게되면 바로 반응이 진행되어 생성물이 생성이 되는거죠~
보통, 활성화 에너지가 높으면 반응후의 에너지 준위상태도 높고, 활성화 에너지가 낮으면 반응후의 에너지 준위상태도 낮아집니다.
이와 같은 경우는 가설을 Hammond-Leffer Postulate라고 합니다.
반응속도와 온도와의 관계를 Arrhenius식으로 표현할 수 있는데요~
k=Ae^(Ea/RT)
여기서 k는 비반응속도 상수이며, A는 빈도인자구여, Ea는 활성화에너지, R은 기체상수, T는 절대온도 입니다.
보시면 온도가 상승할수록 반응속도상수 값이 커지는 걸 볼 수 있는데요~
즉, 온도가 증가할수록 반응속도도 빨라지는거죠~
이와같은 식이 사용되는 예를 보면요~
약의 유통기한을 정할때~ 실온에서 약의 분해량을 계산하면 시간이 너무 오래 걸리기 때문 다음과 같은 Arrhenus식을 이용하여~ 온도를 높임으로서 가속시험이 가능합니다. 즉, 빠른시간안에 시간에 따른 분해량을 유추할 수 가 있는거죠~
발열반응, 흡열반응과 관계없이 반응속도는 온도가 증가하면 증가합니다.
반응속도는 활성화에너지와 이 활성화에너지보다 큰 에너지를 지닌 분자가 얼마나 많이 있는가에 따라 결정됩니다. 즉 온도가 높아지면 정반응속도나 역반응속도가 모두 증가합니다. 다만 평형이 어느쪽으로 이동하는가는 발열반응인가 흡열반응인가에 따라 달라지겠지요.
발열반응과 흡열반응은 열역학적인 문제로서 화학평형의 이동과 밀접합 관계가 있습니다.
예를 들어 흡열반응일때, 같은 압력에서 온도를 높이면 정반응이 진행되는 방향으로 평형이 이동합니다. 그러나 이 경우 역반응은 발열반응이겠지요. 그렇지만 온도가 증가하면 정반응과 역반응의 속도는 모두 증가합니다. 즉, 평형이 유지될 때는 정반응의 속도와 역반응의 속도가 같지만 온도를 높이면 정반응의 속도가 역반응의 속도보다 약간 빠르게 됩니다. 하지만 역반응의 속도가 원래 속도보다는 증가하지요. 결국에는 두 속도가 모두 같아집니다.
화학반응 속도론적 관점과 화학평형적 관점을 혼동하시는 것 같아 화학반응 속도론적 관점과 화학평형적 관점을 나누어서 설명하겠습니다.
화학반응 속도론(kinetics)에 의하면 반응속도는 발열, 흡열반응 여부와 무관하고 온도에 따라 증가합니다.
왜냐 하면 반응속도 상수와 온도는 다음과 같은 의존성이 있기 때문입니다.
ln(k2/k1)=(Ea/R)*(1/T1-1/T2) (여기서 T1,T2는 Kelvin Scale 즉 절대 온도 입니다. Ea는 반응의 활성화 에너지, R은 기체상수로 8.3145 J/mol k입니다.)
따라서 온도가 올라가면 반응속도상수는 커집니다. 위 관계를 Arrhenius Equation이라 합니다.
화학평형론은 반응속도를 따지는 것이 아니라 평형이 어떻게 될것인지를 따집니다. 평형상수는 반응의 속도와는 아무런 상관이 없습니다. 평형상수가 엄청나게 커도 반응 속도 상수가 매우 작다면 그 반응은 우리눈으로 보기에는 안일어나는 것처럼 보입니다. 따라서 평형상수와 속도상수는 서로 다른 성격을 가진 수치입니다. 만약 정반응이 발열 반응인 경우 온도를 높이면 평형은 온도를 낮출려는 방향으로 가게 되므로 온도를 높이는 정반응은 잘 안 일어나게 됩니다. 따라서 정반응이 발열 반응인 경우 온도가 올라갈수록 평형상수는 작아집니다, 흡열반응의 경우에는 그의 반대가 되겠죠?
평형상수의 경우에도 수학적 게념으로 온도 의존성이 있음을 알수 있습니다. Van't Hoff Equation을 이용하면 어떤 반응의 온도에 따른 평형상수 변화를 알 수 있습니다. 식은 윗식에서 k1,k2가 평형상수인 K1, K2로 Ea가 반응엔탈피인 ΔH로 바뀌는 것을 빼고는 똑같습니다.
반응속도는 반응을 일으키기 위한 활성화에너지와 관계됩니다.~
즉, 반응을 일으키기 위한 활성화에너지의 크기가 율속단계(속도결정단계)란 예기죠~
어떤 반응물질이 활성화 에너지 이상의 에너지를 받게되면 바로 반응이 진행되어 생성물이 생성이 되는거죠~
이러한 반응속도는 반응물의 시간에 따른 농도의 함수로 나타낼 수 있는데요~
시간의 변위에 따른 농도의 변위가 클수록~ 반응속도가 빨라지게 되는거죠~
보통 시간에 따른 반응속도는 0차반응이 아닌이상 지수함수의 형태로 나타나는데요~ 그래프 형태를 보면 알수 있듯이 시간의 흐름에 따라 반응속도가 느려지는 것을 볼 수 있습니다.
반응속도와 온도와의 관계를 Arrhenius식으로 표현할 수 있는데요~
k=Ae^(Ea/RT)
여기서 k는 비반응속도 상수이며, A는 빈도인자구여, Ea는 활성화에너지, R은 기체상수, T는 절대온도 입니다.
보시면 온도가 상승할수록 반응속도상수 값이 커지는 걸 볼 수 있는데요~
즉, 온도가 증가할수록 반응속도도 빨라지는거죠~
k=Ae^(Ea/RT)를 로그를 취하면 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.
log k= log A - Ea/2.303*RT
이것을 T₁과 T₂의 온도에서의 반응속도 상수 K를 비교해 보면여~
T₁에서, log k₁= log A - Ea/2.303*RT₁.....①
T₂에서, log k₂= log A - Ea/2.303*RT₂.....②
②-① 을 하면
log k₂/ k₁= Ea(T₂- T₁) / 2.303R * T₁T₂ 로 나타낼 수 있습니다.
여기서 두 온도에서의 반응속도 상수를 비교하여 반응속도의 차이를 구할 수 있습니다.
여기서는 시간이 주어주었으므로 구지 반응속도 상수(K)까지는 구할 필요가 없습니다.
단순히, 그래프를 그려보면~ 지수함수의 형태로 나타나는데요~ Log plot을 사용하면, 간단한 직선식으로 구할 수 있습니다.
대략적으로 보면, 10분 증가할때마다 반응속도는 2배씩 늘어나네여~