반응속도
현재, 반응속도와 반응진행방향은 관계가 없어보인다.
반응속도(v) = Δ[A]/Δt
반응속도 그래프 : 농도에 따른 초기 속도들을 모아 그린 그래프.
미분속도식 : 농도와 속도의 관계
적분속도식 : 농도와 시간의 관계
미분속도식
: 속도상수
m,n : 반응차수. 실험으로 결정
ㄴ 전체 반응차수= m+n : 전체 반응차수에 따라 0차반응, 1차반응, 2차 반응 등으로 나눈다.
ㄴ 실험에 의한 결정방법 : 생성물의 농도를 각각 변화시켜 반응속도가 몇배로 변하는지 측정하여 각 반응차수를 결정한다.
적분속도식
1. 0차반응
> 미분속도식
> 적분속도식
[A]- [A]0 = -t
- 풀이
=> [A]- [A]0 = -t
> 반감기(t1/2) t1/2= [A]0/2
- 반감기에 영향을 미치는 요인 : 초기농도,
- 농도 ↑ 반감기 ↑
- 풀이
[A] = [A]0/2 -> 적분속도식에 대입
> 그래프
2. 1차반응
> 미분속도식
> 적분 속도식
- 풀이
> 반감기(t1/2) t1/2= ln2/
- ln2 ≒ 0.693 ≒ 0.7
- 농도와 반감기는 관계 없다.
- 값만 알면 반감기를 알 수 있다.
- 풀이
[A] = [A]0/2 -> 적분속도식에 대입
> 그래프
3. 2차반응
> 미분속도식
> 적분속도식
- 풀이
> 반감기(t1/2) t1/2= 1/[A]0
- 농도 ↑ 반감기 ↓
> 그래프
aA -> 반응물
적분속도식 | 반감기 | |
0차 | [A]-[A]0 = -at | [A]0/2a |
1차 | ln[A]-ln[A]0 = -at | ln2/a |
2차 | -1/[A]+1/[A]0 = -at | 1/a[A]0 |
> 반응메커니즘
- 반응메커니즘의 표현 : 전체 반응을 2개 이상의 단일단계반응식으로 나눠서 표현
- 반응중간체 : 반응메커니즘의 한 단일단계반응에서 생성된 후 다른 단일단계 반응에서 소비되는 화학종
- 촉매 : 1. 화학반응에 관여하여 자신의 알짜 변화는 없으면서 반응속도를 변화시키는 물질.
2. 한 단일단계에서 반응한 후 반응이 종료되기 이전에 생성되는 물질. 전체적으로는 변화 없음.
- 단일단계반응의 반응속도법칙에서 반응물의 농도의 지수값은 계수와 동일하다.
- 반응속도 결정단계 : 전체 반응속도는 가장 느린 반응에 의해 결정
- 분자도 : 그 단계의 반응을 일으키기 위해 충돌해야하는 화학종의 수
- 단일단계 반응에서 직접 충돌하는 분자의 수
ㄴ 일분자 반응단계 : | A → 생성물 | (핵반응) | v = [A] |
ㄴ 이분자 반응단계 : | A + B → 생성물 | (대부분의 반응) | v = [A][B] |
2A → 생성물 | v = [A]2 | ||
ㄴ 삼분자 반응단계 : | A + B +C → 생성물 ..etc. | (거의 안일어나는 반응) | v = [A][B][C] |
> 활성화 에너지(Ea)
- 활성화 에너지 : 반응을 일으키는데 필요한 최소 에너지
= 활성화물의 에너지와 반응물 에너지 차이
ㄴ 전이상태에 활성화물이 생긴다.
- 정반응의 활성화 E = Ea
- 역반응의 활성화 E = Ea + ΔH
=> 반응열 = 역반응의 활성화에너지 - 정반응의 활성화 에너지
- 촉매사용 : 활성화 E ↓ -> 반응을 일으키는 충돌 수 증가
> Arrehenius 식
반응속도상수
= 활성화E를 가진 충돌 수 = (총 충돌 수)e -Ea/RT
= z·p·e -Ea/RT =>충돌횟수 * 입체인자 * 반응을 일으키는데 필요한 E를 가진 충돌분자의 분율
=A·e -Ea/RT
> 변형
(R = 8.3145 J/mol·K)
> 그래프
화학평형
- 가역반응 : 정반응과 역반응이 모두 가능한 반응
- 비가역반응 : 정반응만 일반적으로 일어나는 반응
> 화학평형
- 반응물과 생성물의 농도가 일정하게 유지되는 상태, 동적평형 상태이다.
- 반응이 지속적으로 일어남
- 정반응 속도 = 역반응 속도
- 처음에 반응물의 농도가 어떠하든 최종적으로는 각각 같은 농도를 유지함
<그래프 그림>
> 정촉매 사용시
- 반응속도 (그래프) : 빨라짐
- 수득률 (그래프) : 초반에 커짐, 최종 수득률은 같음
- 농도 (그래프) : 평형에 달하는 시간은 빨라지나, 최종 농도가 달라지지는 않는다.
> 평형상수
농도평형상수 KC
- 온도에 따라 변한다.
- 반응식 계수에 따라 변한다.
- 초기농도와 무관하다. 초기 농도가 다르면 평형 농도도 다름 (일정 온도에서 KC는 일정)
- 계산 시 mol값이 주어졌는지, M값이 주어졌는지 잘 보자!
압력평형상수 KP
- 반응물과 생성물이 기체인 반응
PV=nRT
P=n/V*RT = 기체의 몰농도*RT -> 기체의 부분압력 ∝ 몰농도
KP=(RT)Δn×KC
- 여러가지 반응이 동시에 평형을 이루는 경우 :평형상수 = 단일반응 평형상수들의 곱
- 양 변의 계수가 n배가 되는 경우 : (이전 평형상수)^n
> 평형상수의 이용
1. 반응의 정도 판단
K↑ 정반응↑ 생성물 > 반응물
K↓ 역반응↑ 생성물 < 반응물
2. 반응 방향의 예측
Q > KC : 역반응 우세
Q = KC : 평형
Q < KC : 정반응 우세
> Le Chatelier의 원리
평형에 있는 어떤 계에 변화가 가해지면, 그 변화를 감소시키는 방향으로 평형이 이동한다.
1. 농도
반응물↑ => 반응물을 줄이는 쪽으로 평형 이동 => 정반응↑
생성물↑ => 생성물을 줄이는 쪽으로 평형 이동 => 역반응↑
2. 압력, 부피
압력↑ 부피↓ => 몰 수가 감소하는 쪽으로 평형 이동
압력↓ 부피↑ => 몰 수가 증가하는 쪽으로 평형 이동
3. 온도 변화
온도↑ : 계가 열을 흡수하는 쪽(흡열반응)으로 평형 이동
- 발열반응 : 온도↑ 역반응(흡열반응)↑ K↓
- 흡열반응 : 온도↑ 정반응(흡열반응)↑ K↑
> 화학평형과 반응속도
단일단계 반응의 평형상수 = 역반응 속도상수와 정반응 속도상수의 비
ㄴ 평형단계에서는 역반응 반응속도와 정반응 반응속도가 같다는 것을 이용한다.
예)
1단계 | O3(g) O2(g) + O | v1 = 1[O3] v1' = 1'[O2][O] K1 = [O2][O]/[O3] = 1/1' |
2단계 | O3(g) + O(g) 2O2(g) | v2 = 2[O3][O] v2' = 2'[O2]2 K2 = [O2]2/[O3][O] = 2/2' |
전체반응 | 2 O3(g) 3O2(g) | K = K1× K2 = 12 /1'2' |
> 평형과 수득률
수득률(%) = 실제 생성량 / 이론 상 얻을 수 있는 값
- 역반응이 일어나니깐 실제 생성량은 이론 상 얻을 수 이쓴 생성량보다 작다. = 수득률 ↑ : 정반응이 우세하다.
반응에서
- 압력이 커졌는데 수득률이 커졌다면? : 정반응↑ 생성물↑ = 생성물의 계수 합 < 반응물의 계수 합 = 정반응이 일어나면 몰수가 작아짐
- 온도가 높아지는데 수득률이 작아진다면 ? : 역반응 ↑ = 역반응이 열을 흡수하는 반응(흡열반응) = 정반응은 발열반응. ΔH<0
> 평형상수의 열역학적 의미
기체의 평형반응과 자유에너지
06 반응속도법칙과 반응메커니즘
유기
4.6 반응속도식과 반응 메커니즘
> 반응속도론의 방법론
1. 초기 농도에 따른 반응속도 측정 실험
2. 속도비교를 통한 반응차수 결정
3. 반응속도 식을 구한다. -> 반응속도식을 통한 반응메커니즘 유추
4. 반응속도 식에 실험값을 대입해 속도상수 결정
(5. 아레니우스 식을 이용해 활성화에너지 구하기)
* 속도식의 가장 중요한 의미 : 활성화착물의 구조를 나타낸다.