빠른 반응 느린 반응 예시 - ppaleun ban-eung neulin ban-eung yesi

화학 반응은 우리 생활 곳곳에서도 흔히 나타난다. 음식을 조리할 때, 또 조리해 둔 음식이 상할 때, 머리를 파마할 때, 상처에 소독약을 바를 때에도 화학 반응이 일어난다. 우리가 먹은 음식이 소화되어 나오는 것도 몸 속에서 일어나는 화학 반응 때문이다. 하지만 화학 반응의 속도는 항상 같지 않다. 빠른 화학 반응도 있고, 느린 화학 반응도 있다. 또, 같은 화학 반응이라고 해도 여러 가지 조건을 다르게 하면, 반응 속도 역시 달라진다. 생활 속에서 경험하는 화학 반응들에 대해 알아 보자.

# 음식 : 화학 반응 속도에 따라 달라지는 현상

조리해 둔 음식은 시간이 흐르면 화학 반응이 일어나서 상하게 된다. 하지만 음식을 시원한 냉장고에 두면 상하는 속도를 늦출 수 있다. 온도가 낮을수록 반응 속도가 느려지기 때문이다. 생선이나 조개류를 팔 때, 얼음 위에 올려 놓고 파는 것도 이와 같은 이유 때문이다.

# 파마 : 온도를 이용하여 반응 속도 높이기

파마를 할 때 바르는 파마 약은 머리카락에서 화학 반응이 일어나 머리카락을 꼬불 꼬불하게 만든다. 이 때 뜨거운 바람을 쐬어 주면, 파마가 더 빨리 완성된다. 온도가 높을수록 반응 속도가 빨라지기 때문이다.

# 소화 : 촉매를 이용하여 반응 속도 높이기

음식을 소화시킬 때에도 몸 속에 있는 여러 가지 촉매가 음식을 빨리 소화시킬 수 있도록 돕는다. 소화가 잘 되지 않을 때는, 소화를 빨리 시킬 수 있는 촉매인 소화제를 먹어서 소화를 돕기도 한다.

# 엄마랑 아이랑, ‘카나페 만들기’

화학 반응을 이용하여 젤리와 같은 식감의 알갱이 요리를 만들어 보고, 이것을 크래커에 얹어 먹는 카나페를 만들어 보자. 알긴산나트륨과 염화칼슘이 반응하면 겔 상태의 화합물이 만들어 지는데, 이처럼 요리에도 화학 반응을 이용해 볼 수 있다. 재미난 화학 반응 실험을 통해 과학에 대한 흥미와 호기심을 키워 주자. 화학 반응이 일어나는 순간, 알갱이로 변하는 것을 관찰하는 재미도 느낄 수 있을 것이다.  

[실험 준비물]
알긴산나트륨(식용), 염화칼슘(식용), 투명컵, 스포이트, 막대, 주스, 숟가락, 찬물, 그물망, 접시, 크래커, 치즈

[실험 방법]
1. 투명 컵에 주스를 1/3(약 30mL)만큼 넣고, 알긴산나트륨(약 1g)을 넣은 다음 끈적해질 때까지 섞어준다.
2. 투명 컵에 찬물 1/2과 염화칼슘을(약 2g) 넣고 녹인다.
3. (2)의 용액에 (1)의 용액을 스포이트로 한 방울씩 떨어뜨린다.
4. 다른 투명 컵 위에 그물망을 두고 (3)의 용액을 거른다.
5. 거른 알갱이 위에 찬물을 부어 행군 후 접시에 담는다.
6. 과자 위에 치즈를 얹고 젤리 식감의 알맹이를 얹어 카나페를 완성한다.

거름망에 거른 젤리 알갱이

맛있는 카나페 완성!

| 글쓴이 와이즈만 영재교육연구소 유아팀 박은주 연구원

#융합상식 #가정연계 #화학반응 #집콕놀이 #오늘은내가카나페요리사

반응 메커니즘은 최종 화학반응식이 어떠한 과정을 거쳐 나온 것인지 추론해가는 것에 의의를 두는 개념입니다. 반응 메커니즘을 통해 우리는 촉매가 무엇이고, 중간체가 무엇이였는지 파악할 수 있게 됩니다.  이뿐만 아니라 가장 중요한

'속도 결정 단계' 가 어느 단계 반응에서 보이는지 알 수 있게 됩니다.  그러면 개념설명 시작하겠습니다. 

1) 단일 단계 반응 : 화학반응식 하나를 단일 단계반응식이라고 합니다. 

2) 중간체 : 반응 메커니즘 상에서만 나타나는 물질입니다. 최종 화학반응식에서는 중간체가 나타나지 않습니다.

3) 속도 결정 단계 : 속도 결정 단계는 반응 메커니즘 상에 존재하는 여러 단일 단계 반응 (다단계 반응)들 중에서 가장 느린 평형을 이루는 단일 단계 반응을  '속도 결정 단계' 라고 부릅니다. 

4) 분자도 : 각각의 단일 단계 반응에서의  반응물의 개수를 의미합니다. 만약 반응물에 2O_2 가 있다면 이 단일 단계 반응은 2분자도입니다. 왜냐? 산소 분자가 2개 있다는 뜻이므로 반응물은 2개이기 때문입니다.

개념 자체는 어렵지 않으나  여기서 중요한 문제가 하나 나옵니다. 실제 2015 연세대 편입화학 기출에서도 주관식으로 출제되었던 유형입니다. 초기 단계에서 느린 평형을 갖는 메커니즘, 초기 단계에서 빠른 평형을 갖는 메커니즘 상에서의 속도 결정 단계를 찾고  반응속도 식을 구하는 문제입니다.  간단히 예제하나 풀면서 설명하겠습니다.

 위 반응 메커니즘에서 느린 단계반응이  초기가 아닌 나중에 있습니다. 그러면 빠른 평형을 하는 부분에서 우리는 정반응과 역반응이 적절히 일어난다고 봅시다.  1번 단계반응식에서의 정반응이 일어날 때  속도상수를 k1이라 하고

역반응이 일어날 때 속도상수를 k-1이라 합시다. 그러면 이렇게 볼 수 있겠습니다.

저게 이제 우리가 원하는 속도법칙이 됩니다. 

 1-1. 반응속도
 (1) 반응속도의 정의
  ① 단위 시간에 변화된(증가, 감소) 반응물및 생성물의 mol농도.      

 <문제> 다음반응에서 수소의 농도가 10초동안에 0.5mol/L에서 0.2mol/L로 감소하였다면
           이 반응의 반응 속도는?
          H2(g) +I2(g) → 2HI(g)       

 1-2. 반응 속도식
 (1) 반응 속도식 : 반응속도는 반응물의 농도에 따라 달라진다.
     aA + bB → cC + dD    
     v = k[A]m [B]n▶반응속도 식(k = 반응속도 상수)
  ① 반응속도 상수(k) : 농도와 무관, 온도에 의해서만 변함 (온도의 상수)
                                  반응물에 따라 달라진다.
  ② 반응차수 : A에 대하여 m차, B에 대하여 n차 반응. 전체반응차수=m+n차 반응
                      반응계수(a, b)와는 무관. 실험적으로만 구해짐.
     (예) H2 + I2 → 2HI 반응속도 식 v = k[H2][I2]이면
           H2에 1차, I2에 1차 전체 = 2차 반응
     (예) A → B에서 v = k[A]m
           0차 반응 : m=0인 경우 v = k[A]0 = k이므로 ▶ 반응속도(v)는 [A]에 관계없이 항상 일정
           1차 반응 : m=1인 경우 v = k[A]1 = k[A]     ▶ 반응속도(v)는 [A]에 비례
           2차 반응 : m=2인 경우 v = k[A]2                ▶  반응속도(v)는 [A]에 제곱에 비례

 <문제> NO(g)와 O2(g)가 반응하여 NO2(g)가 생성한다
          2NO(g) + O2(g) → 2NO2(g)
   일정온도에서 NO(g)와 O2(g)의 초기농도를 변화시키면서 반응속도를 측정하 여 아래 표와
   같은 결과를 얻었다. 반응속도식과 속도상수 k를 구하여라.  

 <해> v=k[NO]m[O2]n 이며
 ① 반응차수 m은 2,3 실험에서 농도 2배 증가 ▶ v= 4배 증가하므로 m=2차반응
 ② n는 1,2실험에서 농도 3배 증가▶ v=3배 증가하므로 n=1차반응
    ∴ v=k[NO]2[O2]
       

<문> 아세트알데히드는 메탄과 일산화로 분해된다.
        CH3CHO(g) → CH4(g) +CO(g)
   아세트알데히드의 초기 농도를 변화시키면서 아세트알데히드의 분해속도를 측정하였더니
   표와 같았다.   

 <해> (1) 반응속도 식 v = k[CH3CHO]3
        (2) CH3CHO의 농도가 0.8mol/L와 0.2mol/L일 때의 속도 비는?
             속도비 ▶ 0.8mol/L : 0.2mol/L =0.081 : 0.51= 6.32 : 1

 1-3. 화학반응경로와 반응 메카니즘

 [1] 반응경로와 에너지
 (1) 충돌이론
  ① 반응 물질을 이루고 있는 구성 입자들이 적당한 방향으로 서로 충돌해야 한다
  ② 유효충돌 : 반응이 일어날 수 있는 적당한 방향으로의 충돌
  ③ 비 유효충돌 : 반응을 일으킬 수 없는 충돌     

(예) H2 + I2 ↔ 2HI의 반응 경로

 (문) 그래프는 CO(g)+NO2(g)↔ CO2(g) + NO(g) + Q의 반응경로이다.정반응과 역반응의 활성화         에너지 (Ea, Ea') 및 반응열 Q를 구하고 활성화물의 구조를 예측하여라.

[2] 반응메커니즘(반응경로)
 (1) 단계별 과정
 ① 1분자 과정 ㉮ 한 분자(A) 중의 원자들이 재배열되어 생성물로 변하는 과정.
                      ㉯ 반응속도는 반응물의 농도에 비례함. v = k [A]

  (예) cis-2-butene의 이성질화 반응    

    (예) CO(g)+NO2(g) ↔ CO2(g) + NO(g)         

  (2) 반응메커니즘.
 ① 화학반응은 한 단계로 끝나지 않고 여러 단계반응을 거쳐 일어남 ▶ 이 여러 단계의 반응과정      을 반응메커니즘이라 함
 (예) 2NO2 + F2 → 2NO2F의 반응은 2분자의 2NO2와 1분자의 F2가 반응을 일으켜 NO2F를 생성.   ㉮ 이 반응이 한 단계로 끝난다면 2개의 NO2분자와 1개 F2분자가 동시 충돌해야 됨 ▶ 3분자 동       시 충돌 가능성은 매우 희박.
  ㉯ 여러 단계과정을 거침
      1단계  : NO2 + F2 → NO2F + F
      2단계 : F + NO2 → NO2F (1단계의 생성물 F는 2단계의 반응물 ▶중간체)       

   <문> 2NO2Cl → 2NO2 + Cl2 반응의 반응메커니즘은 다음과 같다
          1단계 반응 : NO2Cl → NO2 + Cl v1 = k{[NO2Cl]
          2단계 반응 : Cl + NO2Cl → NO2 + Cl2 v2 = k[Cl][NO2Cl]
    실험으로 구한 이 반응의 속도가 v = k{[NO2Cl]이라면 이 반응의 속도결정단계와 중간 체는?

  <해> (1) 반응속도 결정단계 = 1단계 반응(1단계 반응속도식(v1) =전체반응속도(v)이기 때문)
          (2) 중간체 =Cl

   1-4. 반응속도에 영향을 주는 요인     

 (2) 농도의 영향
 (가) 농도가 증가 : 단위 부피 속의 입자수가 증가 ▶ 충돌회수 증가 ☞ 반응속도 빠름  

 (나) 동일 상태에서 일어나는 반응
  ① 1분자 과정 : 반응속도는 반응물의 농도에 비례   ▶ v = k[반응물]
  ② 2분자 과정 : 반응속도는 각 반응물(A와 B)의 농도에 비례함 ▶ v = k[A][B]
  ③ 복잡한 반응인 경우 : 농도가 증가할수록 반응속도가 빨라지는 경우가 대부분.

 (다) 반응물의 상태가 다를 때(고체의 표면적)
  ① 상사이의 접촉면적이 클수록 반응속도 빠르다.(표면적 클수록 반응속도 빠름)
   (예) C(s) + O2(g) → CO2(g)에서 석탄 덩어리보다 석탄가루의(표면적 대) 연소가 속도 빠름.          알약보다 가루약의 흡수속도가 빠름.
             

 (라) 압력의 영향(기체에만 적용)
  ① 반응물의 농도가 크면(분자수가 많다) ▶ 부분압력이 커짐
  ② 압력과 반응속도의 관계 = 농도와 반응속도의 관계
    (예) H(g) + I(g) ↔ 2HI(g)     v = kp PH2 . PI2
         (where) kp =압력에 대한 속도 상수.      PH2, PI2 〓 H2, I2의 분압

 (3) 온도의 영향
 ① 온도 高 : 분자의 평균 운동에너지 증가 ▶ 충돌 회수 증가 ∴반응속도 증가
 ② 온도가 10℃ 상승 ▶반응속도 = 2 - 3배 증가
     ※ n × 10 ℃ 상승 ▶ 반응속도 = 2n배 증가

 (예) 온도 50℃ (5×10) 상승하면 v = 25배 =32배 증가
  ※ 온도 高 : 분자의 평균 운동에너지 증가 ▶ 활성화 에너지 이상의 에너지를 가진 분자수가 증가                    ∴ 반응속도 증가
                    

 (4) 촉매(catalyst)의 영향.
 (가) 촉매
  ① 반응속도를 변화시키고 자신은 변하지 않는 물질.
  ② 정촉매 : 활성화 에너지 작게 ▶ 반응속도 빨라짐
  ③ 부촉매 : 활성화 에너지 크게 ▶반응속도 느려짐
  ④ 촉매를 사용해도 반응열은 변하지 않는다.       

 (나) 균일 촉매 : 반응물과 촉매의 상태가 같을 때.
   (예) 포롬산의 분해 반응에서 촉매가 없을 때 반응과정
         HCOOH(aq) → H2O(g) + CO(g)        

 (예) H2SO4를 촉매로 사용할 때 3단계 과정을 거침.
       HCOOH(aq) → H2O(g) + CO(g)
       1단계 : HCOOH + H+ → HCOOH2+
       2단계 : HCOOH2+ → HCO++ H2O
       3단계 : HCO+ → CO + H+
 

 (다) 불 균일 촉매 : 반응물과 상태가 다른 촉매. (기체 및 액체 반응에 고체촉매 사용 )

    (예) 수소와 산소의 반응에 백금촉매 사용
        

 (라) 촉매와 활성화 에너지.