반응 속도 — 빠르거나 느려지는 조건

연소는 몇 초 만에 빛과 열을 냅니다. 부식은 며칠, 몇 달, 때로는 몇 년에 걸쳐 천천히 보입니다. 전지도 마찬가지입니다. 어떤 전지는 금방 닳고, 어떤 전지는 오래 갑니다. 같은 화학 변화라도 눈에 보이는 시간은 크게 다릅니다.

이 차이를 다루는 말이 반응 속도입니다. 반응 속도는 같은 단위 시간 안에 반응물이 얼마나 줄거나 생성물이 얼마나 생기는지를 나타내는 정도입니다. 1초, 1분, 하루처럼 비교 기준이 되는 시간을 단위 시간이라고 부르고, 그 시간 동안 변화가 많이 일어나면 빠른 반응, 거의 보이지 않으면 느린 반응입니다.

반응 속도를 바꾸는 네 가지 조건#

반응 속도는 주로 네 가지 조건에 따라 달라집니다. 온도, 농도, 표면적, 촉매입니다. 어느 하나도 빠지지 않습니다.

온도가 높으면 입자가 더 빠르게 움직입니다. 더 자주, 더 힘 있게 부딪치므로 반응으로 이어질 가능성이 커집니다. 냉장 보관이 상하는 속도를 늦추는 이유도 같습니다.

농도가 진하면 같은 부피 안에 반응할 입자가 더 많습니다. 서로 만날 기회가 많아지므로 반응 속도가 커질 수 있습니다.

표면적이 크면 반응물이 만날 수 있는 면이 늘어납니다. 통째로 있을 때 안쪽에 숨어 있던 면이, 가루가 되면 바깥으로 드러나는 셈입니다. 가루 약이 알약보다 빨리 흡수되는 까닭도 같은 자리에서 설명됩니다.

촉매는 조금 다릅니다. 촉매는 반응 전후에 그대로 남으면서, 같은 반응이 더 쉬운 길을 따라 지나가도록 도와줍니다. 생물의 몸 안에서 일하는 촉매는 효소라고 부릅니다. 침 속 아밀레이스가 녹말을 작은 분자로 바꾸는 일을 빠르게 돕는 것이 한 예입니다.

충돌 빈도와 에너지 문턱#

네 조건은 서로 달라 보이지만, 미시적으로 보면 두 가지 생각으로 모입니다.

첫째는 충돌입니다. 입자들이 얼마나 자주 부딪치는가입니다. 온도, 농도, 표면적은 주로 이 충돌 빈도를 바꿉니다. 자주 부딪쳐야 반응이 일어날 기회 자체가 생깁니다.

둘째는 활성화 에너지입니다. 입자가 부딪쳤다고 해서 모두 반응이 되지는 않습니다. 결합이 끊어지고 새 결합이 생기려면 일정한 에너지 문턱을 넘어야 합니다. 이 문턱을 활성화 에너지라고 부릅니다. 지금은 "반응이 넘어야 하는 산" 정도로 잡아 두어도 충분합니다.

촉매는 활성화 에너지 자체를 없애는 것이 아닙니다. 같은 반응에 더 낮은 길을 하나 더 열어 주는 일에 가깝습니다. 반응물과 생성물은 그대로지만, 그 사이를 지나는 길이 더 짧고 낮아집니다.

일상에서 속도를 조절한다#

반응 속도는 추상적 개념처럼 보이지만, 우리는 매일 그것을 조절합니다.

효소도 반응 속도 조절자입니다. 다만 효소는 너무 낮은 온도에서는 느리게 일하고, 너무 높은 온도에서는 모양이 망가져 일을 못 할 수 있습니다. 온도와 촉매라는 두 조건이 한 자리에서 만나는 셈입니다.

교실에서는 낮은 농도의 과산화수소와 효모로 촉매의 효과를 관찰하기도 합니다. 다만 이 활동은 교사 준비 시연이나 영상 관찰로 다루는 것이 안전합니다. 고농도 과산화수소를 직접 다루거나 큰 거품 기둥을 만드는 방식은 권장하지 않습니다.

자주 미끄러지는 자리#

반응 속도는 정의가 단순해 보이지만 경계 자리에서 흔히 헷갈립니다.

반응 속도는 시간당 변화량입니다. 빠른 반응이라고 해서 최종 생성물의 양이 반드시 많은 것은 아닙니다. 속도와 양은 다른 축의 이야기입니다.

촉매는 반응이 끝나도 사라지지 않습니다. 같은 반응을 더 쉬운 길로 지나가게 돕고, 자신은 그대로 남아 다음 반응에도 다시 쓰일 수 있습니다.

농도가 진하다고 해서 끝까지 늘 빠른 것도 아닙니다. 반응이 진행될수록 반응물이 줄어들고, 속도도 시간에 따라 달라질 수 있습니다.

활성화 에너지는 이름을 받아 두는 정도가 적당합니다. 정식 식과 계산은 뒤 학년의 약속으로 남겨 둡니다.