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화학반응속도론에서 반응차수(反應次數)란 시약이나 촉매, 부산물 등의 농도 지수에 따른 반응속도식의 값을 나타낸 것으로, 반응속도식에서 지수 m과 n은 반응 물질의 농도[A],[B]가 변할 때 속도가 어떻게 변하는지를 알려주는 차수를 말한다.
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반응차수 [order of reaction, 反應次數] | 과학문화포털 사이언스올
aA+bB→cC+dD의 반응식에서 반응속도식은 v=k[A]m[B]n이 된다. 여기서 m과 n을 반응차수라고 하고, 전체 반응차수는 m+n이 된다.
Source: www.scienceall.com
Date Published: 7/20/2021
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[3.9] 반응 속도식과 반응 차수 – 네이버 블로그
⦁ 이 때 속도 상수 k 는 농도와 무관하고 반응 온도에만 의존적임. ㉯ 반응 차수 (order of reaction). ⦁ 속도식에서 각 물질 농도 항의 지수 a …
Source: m.blog.naver.com
Date Published: 11/27/2021
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반응 속도
반응속도는 반응물의 농도에 의존. 단분자반응, 반응물 A: rate = k[A]m; k= 속도상수, m = 반응차수(order). 다분자반응, 반응물 (A, B):.
Source: chem.yonsei.ac.kr
Date Published: 8/25/2021
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화학 반응의 속도
초기 속도 또한 그대로 두 배라면, 반응 차수는 1이다. A 농도와 반응 속도가 선형(linear)으로 비례한다. 1차 반응(농도 2배 → 속도 2배) rate …
Source: stachemi.tistory.com
Date Published: 9/29/2022
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Chapter 12 화학 반응 속도론
세 반응물의 차수,. 전체 반응 차수,. 속도 상수값은? Page 18. 농도 = f(시간). (적분 일차 반응 속도식) …
Source: contents.kocw.or.kr
Date Published: 11/26/2021
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- Author: 한양대학교 화학과 공식 채널
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- Date Published: 2022. 2. 23.
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화학반응속도론에서 반응차수(反應次數)란 시약이나 촉매, 부산물 등의 농도 지수에 따른 반응속도식의 값을 나타낸 것으로,[1] 반응속도식에서 지수 m과 n은 반응 물질의 농도[A],[B]가 변할 때 속도가 어떻게 변하는지를 알려주는 차수를 말한다. 반응차수는 화학 반응식의 계수와는 관계없고 실험적으로 결정된다. (m+n)은 전체반응차수라고 한다.[2]
각주 [ 편집 ]
반응차수 [order of reaction, 反應次數]
aA+bB→cC+dD의 반응식에서 반응속도식은 v=k[A]m[B]n이 된다. 여기서 m과 n을 반응차수라고 하고, 전체 반응차수는 m+n이 된다. 즉, 해당물질의 농도가 얼마나 반응속도에 기여하는지를 숫자로 나타낸 것으로 실험을 통해 알 수 있다. 또 전체의 차수와 관계없이 특정한 성분 A 또는 B에 붙여 m차 또는 n차라고 하는 경우도 있다.
주로 0차와 1차, 2차만 다루며 차수를 구별하는 방법은 실험결과를 보고 물질의 농도가 반으로 줄어드는 시간인 반감기를 보면 된다. A의 농도로만 따지면 반감기는 0차일 때 v=k[A]0=k 로 농도와 상관없이 일정하고, 1차일 땐 v=k[A]1 로 농도에 비례하고, 2차일 땐 v=k[A]2 로 농도의 제곱에 비례하게 된다.
질량작용의 법칙이 성립하는 기본반응에서는 반응차수가 반응에 관여하는 분자 수의 합과 일치하지만 연속하는 복수의 반응에서는 속도식이 각 성분 농도의 복잡한 함수가 되고 그 근사값으로서 표현이 일정하지 않은 경우가 많으며 그 때 분수가 음의 값을 취하는 경우도 적지 않다. 등온흡착량(等溫吸着量)을 속도식에 포함하는 불균일접촉반응이나 미하엘리스-멘텐식으로 표시되는 효소반응 등은 반응차수의 결정이 어려운 경우도 있다.
반응 차수 결정하는 법
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<\/div>“} 1 둘 중 어떤 반응물을 2배로 늘려도 반응 속도가 2배가 되는 반응식의 반응 차수를 구하세요. 어떤 반응물의 농도를 2배로 하면 반응 속도가 2배가 된다는 것은 그 반응물은 1차수라는 것을 알아야 합니다. 이 경우, 두 반응물이 모두 1차수 입니다. 각 1차수 반응물의 차수를 더하면 총 2차수 반응식이라는 것을 알 수 있습니다.{“smallUrl”:”https:\/\/www.wikihow.com\/images_en\/thumb\/2\/2f\/Determine-Order-of-Reaction-Step-10.jpg\/v4-460px-Determine-Order-of-Reaction-Step-10.jpg”,”bigUrl”:”https:\/\/www.wikihow.com\/images\/thumb\/2\/2f\/Determine-Order-of-Reaction-Step-10.jpg\/v4-728px-Determine-Order-of-Reaction-Step-10.jpg”,”smallWidth”:460,”smallHeight”:345,”bigWidth”:728,”bigHeight”:546,”licensing”:”
<\/div>“} 2 두 반응물을 2배로 해도 반응 속도에 변화가 없는 반응식의 차수를 결정하세요. 반응물의 농도가 바뀌어도 반응 속도에 변화가 없다면 그 반응물은 0차수 라는 뜻입니다. 이 경우, 두 반응물이 모두 0차수 입니다. 각 0차수를 더하면 총 0차수 반응식이라는 것을 알 수 있죠.[3.9] 반응 속도식과 반응 차수
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① 화학 반응과 화학반응속도론
㉮ 화학반응속도론은 화학 반응 시 반응물의 소실과 생성물의 형성이 어떤 속도로 일어나는지,
즉 반응 속도에 대해 다루는 학문임.
㉯ 반응 속도가 어떤 물질의 농도에 의존적인지를 밝혀내고 이로부터 메커니즘 규명에 도움을 주고자
하는 것이 주목적임.
㉰ 반응 속도에 영향을 미치는 요인 으로는 반응물의 농도, 반응 온도 및 반응 중의 물리적인 상태 등이
있으며 이 중 반응물의 농도와 반응 온도에 의한 영향이 가장 큼.
② 속도식과 반응 차수 ㉮ 속도식 (rate equation) ⦁ 반응물의 농도와 실측된 반응 속도간의 관계식 ⦁ 속도 법칙 (rate law) 이라고도 함. ⦁ 이 때 속도 상수 k 는 농도와 무관하고 반응 온도에만 의존적임.
㉯ 반응 차수 (order of reaction) ⦁ 속도식에서 각 물질 농도 항의 지수 a, b ⦁ 실험적으로 결정되는 값 ⦁ 앞의 식에서 물질 A에 대해서는 a차 반응이고, B에 대해서는 b차 반응이며, 전체 반응은 (a+b)차의 총괄차수 (overall order)를 가짐.
⦁ 0차 반응 (zero order)
: 반응 속도가 반응 물질의 농도와 무관하게 진행 (rate = k[A]0)
⦁ 1차 반응 (first order)
: 반응 속도가 반응 물질의 농도에 1차적으로 비례 (rate = k[A]1)
⦁ 2차 반응 (second order)
: 반응 속도가 반응 물질 농도의 제곱에 비례 (rate = k[A]2)
⦁ 반응물이 여러 개 존재하는 경우, 각각의 반응 차수를 구한 후 이로부터 전체 반응의 총괄 차수를
구해야 함. ⦁ 가장 중요한 점 : 반응 속도식은 반드시 실험을 통해서 결정해야 함.
화학 반응의 속도
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화학 반응의 속도
– 반응식의 화살표에 관심을 갖다 –
1. 반응 속도와 반응 경로
1.1. 화학 반응의 빠르기
속도란, 빠르고 느린 정도를 나타내는 물리량이다. 역학에서 속도는 단위 시간 동안 물체가 이동한 거리(변위)로 정의된다. 화학에서는 물체 대신 물질을, 물체의 이동 대신 물질의 변화를 다룬다.
그림 1. 철의 산화 반응은 매우 느린 반응, 나무의 연소 반응은 매우 빠른 반응이다. [출처] https://en.wikipedia.org/wiki/Reaction_rate
물질의 화학적 변화를 반응(reaction)이라 한다. 반응이 진행되면, 반응물은 줄면서 생성물이 늘어난다. 반응물이 줄어드는 정도, 생성물이 늘어나는 정도로 반응의 빠르기를 나타낼 수 있다.
반응 속도는 단위 시간당 반응물 또는 생성물의 농도 변화로 정의한다. 반응 속도를 나타내는 물질이 반응물인지 생성물인지는 중요치 않다. 관찰자 마음이다. 반응물은 농도 감소량(- d [A])을, 생성물은 농도 증가량(+ d [B])에 관심을 둔다는 차이만 있다.
물질 A가 B로 변하는 반응 , A → B , rate = – d [A]/dt 또는 rate = +d [B]/dt
1.2. 화학 반응의 경로
반응물과 생성물이 무엇인지 알면, 반응 속도를 예측할 수 있을까? 그렇지 않다.
반응 결과 생성되는 물질을 정확하게 알아도 반응 속도는 예측할 수 없다. 생성물이 열역학적으로 어마 어마하게 안정한 자발적인 반응(ΔG ˚ ≪ 0)이라도 반응 속도가 빠를지, 느릴지 모른다. 엔탈피(H )나 자유에너지(G ) 같은 열역학적 물리량들과 다르다.
반응 속도는 반응 경로에 의존하기 때문이다. 반응물이 거치는 경로에 따라 반응에 소요되는 시간이 다르다. 마치 내비게이션이 제안하는 경로에 따라 도착 시간이 다른 것과 같다.
그림 2. 반응의 빠르기를 결정하는 것은 반응물이 거치는 경로(언덕의 높이)이다.
물질이 어떤 경로를 선택할지 우리는 예측할 수 없다. 반응이 몇 단계에 걸쳐 일어나는지도 알 수 없다. 반응 중 일어나는 일은 물질만이 알고, 우리는 반응 결과를 통해 추측할 뿐이다.
반응물이 생성물로 변하는 일련의 과정, 거치는 경로를 우리는 ‘반응 메커니즘(mechanism)’이라 부른다. 반응 메커니즘은 화학자들이 제안하는 일종의 가설(이론)이다. 다양한 관찰 결과와 배경 이론이 뒷받침해주고, 합리적 인과 관계를 바탕으로 제안된 정교한 시나리오다.
물론, 또 다른 누군가의 더 좋은 제안과 근거에 의해 기존 메커니즘이 반박될 수도 있다.
2. 반응은 어떻게 일어날까?
2.1. 충돌 이론 (collison theory)
“반응은 왜 일어날까? A는 B로 왜 변할까?”
이 질문의 답은 보통 열역학적 관점에서 이뤄진다. “B가 A 보다 안정하니까”, “반응은 낮은 에너지를 갖는 방향으로 진행되니까”라고 답한다.
그렇다면, 다음 질문은 어떨까?
“반응은 어떻게 일어날까? A는 B로 어떻게 변할까?”
A가 ‘난 지금부터 변하겠어!’라고 마음먹는다고, 순간 B로 변하지 않는다. A는 일련의 과정을 거친다. 앞서 말한, 반응 경로와 관련된 부분이기도 하다.
반응이 어떤 경로로, 어떤 방식으로 일어나는지를 설명할 수 있다면, 반응 속도가 어떤 요인에 영향받는지도 알 수 있다.
반응이 일어나는 원리를 설명하는 이론 중 가장 대표적인 것은 ‘충돌 이론(collison theory)’이다. 반응에 참여하는 물질을 단단한 입자로 생각하고, 이들 간의 충돌로 반응이 일어난다고 설명한다. 충돌 이론에 따르면, 충돌이 잘 일어날 수 있는 조건이 곧, 빠른 반응을 위한 조건이 될 수 있다.
그림 3. 반응에 직접적으로 관여하는 입자수에 따른 차이 ((a)1분자도, (b)2분자도, (c)3분자도 반응) [출처] https://chem.libretexts.org
따라서 반응 속도는 반응물의 농도에 영향받는다.반응물의 농도가 증가하면, 단위 부피당 입자 수가 많아지고, 입자 간 충돌 횟수가 증가한다. 자연스레 반응 속도는 빨라진다. 반응 속도는 반응물의 농도에 의존한다.
반응물 농도 증가 → 단위 부피당 입자 수 증가 → 입자 간 충돌 횟수 증가 → 반응 속도 증가
2.2. 화학 반응식이 주는 속도 정보
다음은 A가 B로 변하는 반응의 반응식이다.
A → B
반응식의 계수는 소모되는 A와 생성되는 B 사이의 몰 비가 1 : 1 임을 알려준다. 감소한 A 몰수만큼 B가 만들어진다. 하지만, 이게 전부다. 반응 경로에 대해서는 어떠한 것도 알 수 없다. 그저 화살표 하나만 덩그러니 있을 뿐이다. 반응이 느리다고 구불구불한 화살표로 느림을 나타내거나, 길게 늘어뜨려 빠른 반응과 차이를 두지 않는다. 속도가 빠르거나 느리거나 일정한 길이의 곧은 화살표로 표현한다.
따라서 반응식만으로는 A 1개가 스스로 붕괴해 B 1개로 변하는 반응(1)과 A 2개가 서로 충돌해서 B 2개로 변하는 반응(2)을 구별할 수 없다. 두 경우 모두 A와 B의 몰 비는 1 : 1이며, 반응식도 A → B로 같다.
그러나 세부적으로는 분명한 차이가 있다. (1)이 A → B 라면, (2)는 A + A → 2B 이다. (1)은 A 1개만으로 스스로 반응이 일어날 수 있지만, (2)는 충돌을 일으킬 A가 최소 2개가 필요하다. (1)과 (2)가 A의 농도에 영향받는 정도가 다를 수밖에 없다. 결과적으로 (2)가 (1)보다 A 농도에 더 크게 영향받는다. (그림 3 참고)
하지만, 이런 세부적인 차이는 화학반응식만으로는 알 수 없다.
2.3. 속도 상수와 반응 차수
A → B 반응의 속도식은 다음과 같다.
반응 속도식: rate = k [A]n
반응 속도(rate of reaction)는 반응물의 농도 [A]에 비례한다. k는 비례 상수, 속도 상수(rate constant)이다.
[A]의 지수항 n 은 반응 차수(order of reaction)이다. 반응 차수는 반응(충돌)에 직접 관여하는 A 입자 수에 의해 결정된다. 반응식을 통해서는 세부적인 충돌 과정을 알 수 없으므로 실험을 통해서만 결정될 수 있다. 화학반응식의 계수와 무관하다.반응물의 종류가 둘 이상인 반응도 속도식은 크게 다르지 않다. A + B → C 반응의 경우 아래와 같다.
반응 속도식: rate = k [A]n [B]m
n 은 반응물 A의 반응 차수, m 은 반응물 B의 반응 차수이며, n + m 이 전체 반응 차수가 된다. (그림 3-(b) 경우 n = 1, m = 1 이며, 전체 반응에 대해서는 2차이다.)
2.4. 초기 속도법 (initial rate)
그림 3. 초기 농도에 따른 반응 속도의 변화 [출처] James House, Principles of Chemical Kinetics, Fig 3.1.
<그림 4>는 A의 초기 농도가 1.0 M(a), 0.75 M(b), 0.5 M(c), 0.25 M(d) 일 때, 시간에 따른 A의 농도 변화를 그래프로 나타낸 것이다. 곡선의 순간(접선) 기울기 값이 해당 시점에서의 반응 속도이다.
그래프를 통해 알 수 있는 사실은 다음과 같다.
시간이 지남에 따라 반응물의 농도가 점차 감소하고, 그래프 기울기는 점차 완만해진다. 반응 속도가 점점 느려진다. 또한 초기 반응물의 농도가 묽을수록((a) → (d)) 접선의 기울기가 완만하며, 초기 반응 속도가 느리다.
결국, 반응 속도가 반응물의 농도에 의존(비례)하고 있음을 보여준다.
(a)와 (c)의 초기 속도를 비교해보자. (c)의 초기 농도는 0.5 [M], (a)의 초기 농도는 1.0 [M]이므로, (a) 농도는 (c)의 두 배이다. 초기 속도 또한 그대로 두 배라면, 반응 차수는 1이다. A 농도와 반응 속도가 선형(linear)으로 비례한다.
1차 반응(농도 2배 → 속도 2배) rate = k [A]
표 1. 1차 반응: 농도 변화에 따른 초기 반응 속도의 변화
만약, 초기 속도가 (a)가 (c)의 네 배였다면? 초기 기울기가 네 배 차이라면? 이는 반응 속도가 [A]2에 비례한다는 뜻이며, 반응 차수는 n = 2가 되어야 한다.
2차 반응(농도 2배 → 속도 4배) rate = k [A]2
표 2. 2차 반응: 농도 변화에 따른 초기 반응 속도의 변화
이렇게 반응물의 농도를 일정 배율로 달리 한 뒤 초기 속도를 비교하면, 반응물 농도에 대한 몇 차 반응인지를 알 수 있다. 이를 초기 속도법(initial rate)이라 한다. 초기 속도법을 통해 결정한 반응의 차수에 따라 1차 반응, 2차 반응, 0차 반응 등으로 구분할 수 있다.
화학 반응의 속도 – 끝 –
본문 <그림 3> 출처 바로가기 : chem.libretexts.org
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