반응차수와 시험반응 속도식

1. 소개: 반응차수와 시험반응 속도식

반응 차수는 화학 반응의 속도를 나타내는 중요한 개념 중 하나입니다. 이는 반응 속도식을 통해 나타내며, 반응이 어떻게 진행되는지 이해하는 데 도움을 줍니다.

2. 반응차수의 정의와 종류

반응차수의 개념 (1):

반응차수는 반응 속도식에서 각 반응 물질 농도에 대한 지수로 표현됩니다. 일반적으로 0차, 1차, 2차 반응 등으로 나타낼 수 있습니다.

0차 반응 (2):

0차 반응은 반응 속도가 반응 물질 농도에 영향을 받지 않는 경우입니다. 속도식은 다음과 같습니다.

속도=k

1차 반응 (3):

1차 반응은 반응 속도가 한 반응 물질의 농도에 비례하는 경우입니다. 속도식은 다음과 같습니다.

속도=k⋅[A]

2차 반응 (4):

2차 반응은 반응 속도가 반응 물질 농도의 제곱에 비례하는 경우입니다. 속도식은 다음과 같습니다.

속도=k⋅[A]2

3. 시험반응 속도식과 계수

시험반응 속도식의 개념 (5):

시험반응 속도식은 반응차수를 포함한 반응 속도식의 일반적인 형태를 나타냅니다.

예를 들어 1차 반응의 경우, 속도식은 다음과 같습니다.

속도=k⋅[A]1

반응 계수와 상호작용 (6):

반응 속도식에서 나타나는 계수는 각 물질의 농도에 대한 반응의 민감도를 나타냅니다.

이 계수를 통해 어떤 물질이 반응 속도에 큰 영향을 미치는지 파악할 수 있습니다.

4. 예제: 1차 반응의 속도식과 계수 계산

가정: 특정 화합물 A의 1차 반응속도식이 속도=k⋅[A]일 때, k=0.02M/s일 때, A의 초기 농도가 0.1 M일 때의 반응 속도를 계산하는 예제입니다.

속도=0.02⋅0.1

이를 계산하여 초기 농도에서의 반응 속도를 얻을 수 있습니다.

5. 결과 및 해석

계산된 반응 속도는 초기 농도에서의 1차 반응 속도를 나타내며, 이를 통해 반응이 얼마나 빠르게 진행되는지를 알 수 있습니다.

6. 결론

반응차수와 시험반응 속도식은 화학 반응 속도를 이해하고 설명하는 데 유용한 도구입니다. 각 반응물의 농도에 따른 속도를 정확히 예측함으로써, 반응 메커니즘을 더 깊게 이해할 수 있습니다.

 

반응차수와 시험반응 속도식

* 0차반응

※ 반응속도는 용액의 반응물 농도에 무관하다.

d[A]/dt = - ko ( 여기서, k는 0차 반응의 속도상수)

자연수에서 0차 반응은 여러 단계로 일어나는 불균일상 복합체 반응들을 예로 들 수 있으며, 표면적과 같은 물리적인 억제인자는 반응속도를 사실상 제한한다. 혐기성 퇴적물에서의 메탄 생성과 가수분해 생성물(NH3, PO4^-3)의 누출은 0차반응에 대한 예이다.

* 1차반응

※ 반응속도는 반응물의 농도의 1제곱에 비례한다.

A ――→ B

d[A]/dt = - k₁[A]^1.0 ----(1)

d[B]/dt = + k₁[A]^1.0 ----(2)

(여기서, k₁는 1차 반응의 속도상수. 단위는 T^-1)

식 (1)에 따른 회분식 반응 데이타는 시간이 경과함에 따라 농도는 지수적으로 감소함을 나타내며 식(2)에 있어서는 농도는 증가하지만 오랜 시간이 경과 후에는 안정상태로 되어 최대값에 도달한다.

ln(A/Ao) = -k₁t → ∴ A = Ao e^-k₁t

ln(A/Ao) = k₁t → ∴ A = Ao e^+k₁t

1차 반응의 예를 들면

·방사성 동위원소의 감소 ·하천에서 생화학적 산소요구량

·비응집성 고형물의 침강 ·박테리아와 조류의 사멸률과 호흡률

·제폭기와 기체전달 ·조류와 박테리아의 대수 성장기(생성반응)

* 2차반응

▷2차반응의 여러 가지 형태

한 가지 반응물 A + A ――→ B

두 가지 반응물 A + B → D

자기 촉매 A + R → 2R

d[A]/dt = -2 k₂＇[A]²= -k₂[A]²

∴ 1/A - 1/Ao = k₂t

A + A → B

예) 동물성 플랑크톤 사멸속도, 대기의 가스상 반응, 2차 화학반응

A + B → D

예) 미생물의 반응과정(기질+세포), 흡착반응(흡착제+피흡착제),

포식자-먹이(식물성+동물성 플랑크톤), 수중 산화·환원반응(산화제+환원제)

A + R → 2R

예) 자기촉매 반응, 미생물 반응과정(기질+세포), 광 산화·환원반응, 핵 형성/결정체 형성