반응 속도식 — 빠르기를 식으로 나타내기

엔탈피는 반응이 주고받는 열의 양을 알려 주지만, 같은 양의 열을 내는 반응이라도 어떤 것은 순식간에 끝나고 어떤 것은 아주 느립니다. 반응 속도는 이 빠르기를 농도 변화로 정의하고, 속도식은 그것을 한 줄의 식으로 정리합니다.

농도 변화율로 정의하는 반응 속도#

반응이 진행되면 반응물 농도는 줄고 생성물 농도는 늘어납니다. 반응 속도는 단위 시간 동안 농도가 얼마나 변하는지를 나타내며, 단위는 보통 mol/(L·s)입니다.

농도-시간 그래프에서는 기울기가 속도입니다. 일정 구간의 기울기는 평균 속도, 한 점에서의 접선 기울기는 순간 속도가 됩니다. 두 속도는 다른 양이므로 자료를 읽을 때 어느 쪽인지 분명히 해야 합니다.

평균 속도 = 농도 변화 / 시간 변화

충돌 모형과 유효 충돌#

입자가 반응하려면 먼저 서로 부딪쳐야 합니다. 농도가 높으면 단위 부피 안 입자 수가 많아져 충돌이 잦아집니다. 그러나 모든 충돌이 반응으로 이어지는 것은 아닙니다. 충분한 에너지와 알맞은 방향을 가진 충돌만 반응이 되며, 이를 유효 충돌이라 합니다.

속도식과 반응 차수#

속도식은 농도가 속도에 미치는 영향을 한 줄로 적은 식입니다.

rate = k[A]^m[B]^n

여기서 k는 속도 상수, m과 n은 반응 차수이며 전체 차수는 m + n입니다. 차수는 반응식의 계수에서 바로 읽는 값이 아니라 실험 자료로 결정합니다. 우연히 계수와 같을 수도 있지만 원칙적으로는 별개의 양입니다. 속도 상수 k의 단위도 전체 차수에 따라 달라집니다.

반응식의 계수와 속도식의 차수가 항상 같은 것은 아닙니다. 계수는 반응 전체에서 물질의 비율을 보여 주지만, 차수는 실제 실험에서 농도 변화가 속도에 어떻게 영향을 미치는지를 측정해서 얻습니다. 같은 반응식이라도 단계별 메커니즘에 따라 차수가 달라질 수 있습니다.

초기 속도법으로 차수 읽기#

초기 속도법은 한 농도만 바꿔 가며 반응 시작 직후의 속도가 몇 배 변하는지 비교하는 방법입니다. A의 농도를 2배 했을 때 속도가 변하지 않으면 0차, 2배가 되면 1차, 4배가 되면 2차입니다.

자료표를 읽을 때는 한 번에 한 변수만 바뀐 실험쌍을 골라 비교하는 것이 핵심입니다. 차수가 정해지면 같은 실험 자료에서 속도 상수 k까지 함께 구할 수 있습니다.