반응 속도

1. 반응속도

2. 반응속도와 농도

3. 반응속도와 온도  

4. 반응속도와 촉매

 

 학습 목표

● 준비 학습 ●

  1. 다음의 현상들을 반응 속도와 관련지어 조사하여 보자.

☞ 연소 : 탈 수 있는 물질이 산소와 빠르게 반응하는 것

☞ 폭발 : 반응 속도가 대단히 빠르고 생성 물질이 기체 등이어서 반응이 일어나면 부피가 급격히 증가하는 것

☞ 소화 : 음식물이 산소와 서서히 반응 하는 것

  1. 냉장고에 음식물을 저장하면 쉽게 상하지 않는다. 이 원리를 반응 속도와 관련지어 설명하여 보자.

☞ 음식물이 상한다는 것은 공기 중의 산소와의 반응인데 냉장고 속은 온도가 낮아서 분자의 운동 에너지가 낮아지므로 충돌 속도가 느려지고 산소와의 반응 속도가 느려져서 쉽게 상하지 않는다.

  1. 일상 생활에서 사용하는 소화기의 종류와 그 원리를 조사하고, 효율적으로 사용하는 방법에 대하여 알아보자.

☞ 소화기의 원리는 탈 수 있는 물질과 산소와의 접촉을 차단하는 것이 기본이다. 차단 물질은 CO2나 CCl4(사염화탄소) 등 연소하지 않고 비중이 산소보다 커서 낮게 깔리는 기체를 이용한다.

  1. 집에서 사용하는 가스는 폭발 사고를 일으키기도 한다.  이러한 폭발 사고를 막기 위하여 우리는 어떻게 하여야 하는지 알아보자.

☞ 가정용 가스에는 주로 천연가스의 주성분인 메탄(CH4)이 있는데 메탄은 공기보다 가벼워 위로 퍼지고, 프로판은 공기보다 무거워 아래로 퍼지므로 메탄 사용시에는 창문을 열어 환기시키고 프로판은 출입문을 열고 환기시켜야 한다.

 

 

1. 반응속도

빠른 반응과 느린 반응


반응 속도의 뜻

반응 속도 구하기

 

  반응의 조건

  반응하는 입자간 충돌이 있어야 한다.

  활성화 에너지 이상의 충분한 에너지를 가진 충돌이어야 한다.
  ※ 활성화 에너지 : 반응을 일으키는데 필요한 최소한의 에너지

 

 

2. 반응속도와 농도

반응 속도와 농도와의 관계의 예



 

 

3. 반응속도와 온도

온도와 분자의 운동 속도

  1. 온도와 반응 속도

    온도의 변화에 따라 반응 속도가 어떻게 달라지는지를 보다 쉽게 이해하기 위해 기체 반응을 생각해 보자.
    기체 상태의 물질을 반응 용기에 넣고 온도를 올리면 기체 분자의 운동 속도는 빨라지게 된다. 따라서 반응 물질 사이의 접촉 기회도 그에 따라 커져 결과적으로 반응 속도가 빨라지게 된다.

    ⇒ 온도를 올림 ⇒


    다시말하면, 온도가 높아지면 분자의 평균 운동 에너지가 커져서 반응을 일으키기에 충분한 에너지를 가지는 입자수가 그 만큼 많아지므로 반응 속도가 빨라지게 된다. 그러나 충돌하는 분자들이 모두 반응하는 것이 아니고, 반응을 일으키기에 충분한 에너지를 가진 분자들이 효과적으로 충돌하여야만 가능하다.
    일반적으로 온도가 10℃ 올라감에 따라 반응의 속도는 약 2~3배 증가한다고 알려져 있다.

     

  2. 입자가 가진 에너지와 반응의 관계

    반응이 일어나려면 반응 물질의 입자가 서로 충돌하여야 한다. 그러나 입자가 충돌한다고 해서 언제나 반응이 일어나는 것은 아니다. 반응을 일으키려면 입자가 가진 에너지 어느 수준이상이 되어야한다.
    (아래그림에서(Ea)이상) 이 수준보다 작은 에너지를 가지는 입자는 아무리 충돌해도 반응이 일어나지 않는다.온도가 올라가면 그림처럼 Ea이상의 입자수가 또한 증가하여 반응속도는 증가한다.

     

  3. 반응 진행에 따른 물질의 에너지 변화

    화학 반응이 진행되면 물질이 가지는 에너지가 달라지게 된다. 반응 물질이 활성화 에너지를 얻으면 에너지를 많이 가지는 불안한 상태의 물질로 되는데, 이것을 활성화 상태라고 한다.
    활성화 상태의 물질은 곧 깨져 생성 물질로 된다. 만약 반응 물질로 되돌아 가면 반응이 일어나지 않은 것이다. 여기서 반응 물질과 생성 물질의 에너지 차는 반응열로 나타난다.

              

     


4. 반응속도와 촉매

  1. 촉매

    과산화수소를 비커에 따라 놓으면 별다른 변화를 보이지 않는다. 그러나 이산화망간을 조금 넣으면 곧 기포가 발생한다. 이 때 변화가 멈춘 다음 남아 있는 이산화망간을 조사해 보면 그 양은 처음과 변화가 없다. 이와 같이 자신은 변하지 않고 물질의 반응 속도를 빠르게 또는 느리게 해 주는 물질을 촉매라고 한다. 촉매 중 반응 속도를 빠르게 해 주는 것을 정촉매라 하고, 반응 속도를 느리게 하는 것을 부촉매라고 한다.

     

  2. 촉매가 반응 속도를 변화시키는 까닭

    촉매가 반응 속도를 빠르게 또는 느리게 하는 것은 촉매에 의해 반응의 경로가 새로 만들어지기 때문이다.
    이 경로는 촉매가 활성화 에너지를 변화시켜 만들어지게 된다.
    일반적으로 활성화 에너지가 큰 반응은 천천히 일어나고 활성화 에너지가 작은 반응은 빨리 일어난다.

     

  3. 촉매 반응의 예

    과산화수소의 분해 반응에서 촉매로 작용하는 이산화망간은 자신은 반응 전후를 통해 눈에 띄는 변화를 보이지 않으나, 과산화수소의 반응 속도를 증가시키는 데 기여한다.
    어느 반응에서 촉매가 없으면 좀처럼 일어나지 않는 화학 반응이 촉매가 있으므로써 활발하게 반응하게 되는 예는 수 없이 많다.
    촉매는 마치 높은 산길을 넘으려는 자동차가 이보다 높이가 훨씬 낮은 터널을 통과하는 것에 비유할 수 있다.
    즉, 촉매는 낮은 에너지로도 반응이 일어날 수 있게 하여 주는 물질이라고 말할 수 있다.