나뭇잎 교과서

농도·온도·촉매와 반응 속도

음식을 냉장고에 넣고, 불을 붙일 때 장작을 잘게 쪼개고, 자동차는 배기관에 촉매 장치를 답니다. 모두 반응 속도를 조절하는 방법입니다. 농도, 온도, 촉매가 각각 무엇을 바꾸는지 봅니다.

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농도·온도·촉매와 반응 속도

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음식은 냉장고에 넣으면 며칠 더 버티고, 장작은 잘게 쪼개야 불이 잘 붙는다. 자동차 배기관의 촉매 장치는 짧은 순간에 유독한 일산화 탄소를 이산화 탄소로 바꾼다. 세 방법은 모두 반응 속도를 조절하지만, 바꾸는 것은 서로 다르다. 농도, 온도, 촉매는 각각 무엇을 바꾸어 반응을 빠르거나 느리게 할까?

그림 1. 활성화 에너지가 50 kJ/mol인 반응의 속도를 25 °C 기준으로 나타냈다(세로축은 10의 거듭제곱). 온도를 10 °C 올리면 약 2배, 촉매로 활성화 에너지를 30 kJ/mol로 낮추면 수천 배 빨라진다.
먼저 알아야 할 것유효 충돌과 활성화 에너지(유효 충돌과 활성화 에너지), 반응 속도식(반응 속도식), 지수와 로그(수학).

4.4.1농도와 표면적

반응물의 농도가 크면 단위 부피 안의 분자 수가 많아 충돌 횟수가 늘어난다. 활성화 에너지를 넘는 비율은 그대로이지만 전체 충돌이 늘어 유효 충돌도 늘어난다. 고체가 반응할 때는 표면에서만 충돌이 일어나므로, 잘게 쪼개 표면적을 넓히면 반응이 빨라진다. 그래서 장작보다 톱밥이 잘 타고, 밀가루 먼지는 폭발하기도 한다.

4.4.2온도와 촉매

온도를 높이면 분자의 평균 운동 에너지가 커져, 활성화 에너지를 넘는 분자의 비율이 지수적으로 늘어난다. 충돌 횟수도 조금 늘지만, 속도가 빨라지는 주된 까닭은 이 비율의 증가이다.

촉매는 반응에 참여하되 반응이 끝나면 처음 상태로 돌아오는 물질이다. 촉매는 활성화 에너지가 더 낮은 새 반응 경로를 열어 준다. 그래서 같은 온도에서도 고개를 넘는 분자가 훨씬 많아진다. 그런데 촉매는 반응물과 생성물의 에너지를 바꾸지 않으므로 반응열 \(\Delta H\)는 그대로이다.1

정리 4.4.1 속도 상수와 온도 (아레니우스 식)

\[k = Ae^{-E_a/RT}\] 온도가 오르거나 활성화 에너지가 낮아지면 속도 상수가 지수적으로 커진다. 농도는 \(k\)를 바꾸지 않고 속도식의 농도 항을 바꾼다.

요인바꾸는 것예 농도, 표면적충돌 횟수잘게 썬 장작 온도문턱을 넘는 분자 비율냉장고 촉매문턱의 높이 (활성화 에너지)자동차 촉매 장치
그림 2. 세 요인은 모두 유효 충돌의 수를 늘리지만, 그 방법이 서로 다르다.

4.4.3예제 풀이

예제 4.4.2

음식이 상하는 반응의 활성화 에너지가 50 kJ/mol이라 하자. 25 °C에 둔 음식과 4 °C 냉장고에 둔 음식의 반응 속도를 비교하여라. 또 25 °C에서 촉매가 활성화 에너지를 30 kJ/mol로 낮추면 속도는 몇 배가 되는가? (\(R = 8.31\) J/(mol·K))

절대 온도는 298 K와 277 K이다. 속도의 비는 \(\exp\left[\dfrac{50\,000}{8.31}\left(\dfrac{1}{277} - \dfrac{1}{298}\right)\right] = \exp(6017 \times 2.54 \times 10^{-4}) = e^{1.53} \approx 4.6\)이다. 따라서 냉장고 속 음식은 약 4.6배 느리게 상한다. 실온에서 하루면 상할 음식이 냉장고에서는 4~5일 버티는 셈이다.

촉매가 활성화 에너지를 20 kJ/mol 낮추면 \(\exp\left(\dfrac{20\,000}{8.31 \times 298}\right) = e^{8.08} \approx 3200\)배 빨라진다. 그림 1에서 촉매를 켜 보자. 온도를 수십 °C 올리는 것보다 촉매 하나의 효과가 훨씬 크다. 그래서 자동차 촉매 장치는 배기가스가 지나가는 짧은 시간 안에 유해 기체를 처리하고, 몸속의 효소는 체온에서도 반응을 수백만 배 빠르게 한다.

아래 탐구 카드에서 냉장고, 잘게 썬 장작, 촉매 장치가 각각 무엇을 바꾸는지 직접 정리해 보자.

  1. 반응을 느리게 하는 물질을 흔히 부촉매라 부르지만, 실제로는 촉매를 방해하거나 반응의 중간 물질을 없애는 경우가 많다. 식품의 산화 방지제가 그 예이다.
마무리

농도와 표면적은 충돌 횟수를, 온도는 활성화 에너지를 넘는 분자의 비율을, 촉매는 활성화 에너지 자체를 바꾸어 반응 속도를 조절한다. 온도와 활성화 에너지의 효과는 \(k = Ae^{-E_a/RT}\)에 따라 지수적이다. 그래서 처음 질문의 냉장고는 문턱을 넘는 분자의 비율을 줄여 반응을 늦추고, 촉매 장치는 문턱을 낮추어 반응을 수천 배 빠르게 한다.

탐구 1

냉장고, 잘게 썬 장작, 촉매 장치는 각각 무엇을 바꿀까?

반응 속도에 영향을 주는 요인 · 농도, 온도, 촉매
처음(25 °C, 1배, 촉매 없음) 대비 속도
—
충돌 횟수
—
Eₐ를 넘는 분자의 비율
—

반응물 A에 대해 1차인 반응 A → B(ΔH = −30 kJ/mol)를 가정한 모식으로, 속도는 농도와 Eₐ를 넘는 분자의 비율의 곱에 비례하도록 계산했다.

  1. 질문우유는 냉장고에서 천천히 상하고, 통나무는 잘 타지 않지만 잘게 쪼갠 장작은 잘 탄다. 자동차 배기관의 촉매 장치는 유독한 기체를 순식간에 바꿔 놓는다. 세 가지는 각각 반응의 무엇을 바꾼 걸까?
  2. 복원반응이 일어나려면 입자가 부딪쳐야 하고, 그 충돌 에너지가 활성화 에너지 이상이어야 한다.
  3. 설명농도를 높이거나 고체를 잘게 쪼개 표면적을 넓히면 충돌 횟수가 늘어 반응이 빨라진다. 온도를 높이면 충돌도 조금 잦아지지만, 무엇보다 활성화 에너지를 넘는 분자의 비율이 크게 늘어난다. 그리고 촉매는 활성화 에너지가 더 낮은 새 반응 경로를 열어 주며, 반응 뒤에 그대로 남는다.
  4. 연결생활 속에서 냉장과 냉동 보관은 온도를 낮춰 부패 반응을 늦추고, 가루 설탕은 표면적이 넓어 각설탕보다 빨리 녹으며, 산소 호흡기는 산소 농도를 높인다. 또 몸속 효소는 생체 촉매이고, 자동차 촉매 변환기는 백금과 로듐으로 CO와 NO를 CO₂와 N₂로 바꾸며, 하버–보슈법은 철 촉매를 쓴다. 반대로 방부제나 음식의 진공 포장은 반응을 늦추는 예이다.
  5. 적용농도를 2배로 하면 속도가 몇 배인지, 온도를 25 °C에서 35 °C로 올리면 어떤지, 촉매를 넣으면 속도가 몇 배가 되는지 보자. 그리고 세 방법 가운데 가장 효과가 큰 것이 무엇이고, 에너지 도표에서 무엇이 달라지는지 확인해 보자.
  6. 판단‘촉매는 반응을 더 많이 일으켜 생성물의 양을 늘린다’는 생각은 오개념이다. 촉매는 정반응과 역반응을 똑같이 빠르게 해 평형에 빨리 도달하게 할 뿐, ΔH와 평형에서의 양은 바꾸지 않는다. 도표에서 반응물과 생성물의 높이가 그대로인 것을 확인해 보자.

확인조건이 달라지면

어떤 반응에 촉매를 넣었더니 훨씬 빨라졌다. 촉매를 넣기 전과 비교해 달라지지 않은 것은?

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