농도·온도·촉매와 반응 속도

과산화 수소수에 이산화 망가니즈 가루를 넣고 처음 1분 동안 나온 산소의 부피를 쟀다. 한 모둠은 가루 0.10 g으로 24 mL를 모았고, 다른 모둠은 0.20 g으로 58 mL를 모아 촉매를 두 배 넣으면 두 배 넘게 빨라진다고 결론지었다. 그런데 알고 보니 둘째 모둠은 따뜻한 과산화 수소수를 썼고, 가루도 더 곱게 빻은 것이었다. 이 결론은 믿을 수 있을까? 무엇을 고정해야 '이 요인이 속도를 바꿨다'고 말할 수 있을까?

3.8.1속도를 바꾸는 세 가지

반응은 분자들이 충분한 에너지를 가지고 알맞은 방향으로 부딪힐 때 일어난다. 반응물의 농도가 진하면 같은 시간에 부딪히는 횟수가 늘어 반응이 빨라진다. 온도가 오르면 분자들이 빨라져 부딪히는 횟수도 늘지만, 무엇보다 활성화 에너지를 넘는 분자의 비율이 크게 늘어 10 °C마다 속도가 두세 배씩 빨라지는 경우가 많다. 촉매는 활성화 에너지가 낮은 다른 길을 열어 주어 반응을 빠르게 하고, 자신은 반응 뒤에 그대로 남는다. 고체 촉매는 표면에서 반응이 일어나므로 같은 질량이라도 곱게 빻아 표면적을 넓히면 더 빨라진다.

처음 질문의 둘째 모둠은 촉매의 양, 온도, 가루의 굵기를 한꺼번에 바꾸었다. 그래서 58 mL가 24 mL의 두 배를 넘은 것이 촉매의 양 때문인지 온도나 굵기 때문인지 알 수 없다. 그림 1처럼 한 번에 하나만 바꾸면, 촉매를 두 배로 할 때 47 mL로 거의 두 배, 온도를 10 °C 올릴 때 46 mL로 약 1.9배가 된다는 것을 따로 알 수 있다.¹

3.8.2무엇을 재는가

과산화 수소의 분해 속도는 나오는 산소의 부피를 시간에 따라 재어 정한다. 물을 채운 눈금 실린더를 거꾸로 세워 산소를 모으거나 기체 주사기를 쓴다. 반응이 진행될수록 과산화 수소가 줄어 속도가 느려지므로, 같은 '처음 1분'처럼 정해진 구간에서 비교해야 공정하다. 산소가 나오기 시작하는 순간과 초시계를 누르는 순간을 맞추고, 같은 조건을 세 번 되풀이해 흩어짐을 확인한 뒤에 조건 사이의 차이를 판단한다.

3.8.3예제 풀이

기준 24 mL에 대해 촉매를 두 배로 하면 \(47/24 \approx 2.0\)배, 농도를 절반으로 하면 \(12/24 = 0.5\)배, 온도를 10 °C 올리면 \(46/24 \approx 1.9\)배이다. 촉매의 양과 농도에는 거의 비례하고, 온도에는 10 °C당 두 배 가까이 빨라진다.

두 효과가 서로 곱해진다면 촉매 0.20 g과 35 °C에서 \(24 \times 2.0 \times 1.9 \approx 91\) mL가 예상된다. 그런데 둘째 모둠의 58 mL는 이보다 훨씬 적다. 곱게 빻은 가루는 오히려 빨라야 하므로, 그 모둠의 온도가 35 °C보다 낮았거나 과산화 수소의 농도가 달랐을 수 있다. 어느 쪽인지는 그 결과만으로 알 수 없다. 그러므로 여러 요인을 한꺼번에 바꾼 실험은 결론을 내기 어렵고, 한 번에 하나씩 바꾼 실험을 다시 해야 '촉매가 속도를 두 배로 했다'고 말할 수 있다.

아래 탐구 카드에서 농도, 온도, 촉매 가운데 하나씩만 바꾸는 실험을 설계하고, 각 요인의 효과를 재어 보자.

1. 우리 몸의 간에 있는 카탈레이스라는 효소도 과산화 수소를 분해하는 촉매이다. 효소 한 분자가 1초에 수백만 개의 과산화 수소를 분해할 만큼 빨라서, 상처에 과산화 수소수를 바르면 곧바로 거품이 인다.