화학적 역학 : 요인, 반응 순서 및 적용 - 화학 - 2026

화학 반응 속도는 반응 속도의 연구이다. 수학적 방정식으로 표현 된 법칙을 통해 분자 메커니즘에 대한 실험적 또는 이론적 데이터를 추론합니다. 메커니즘은 일련의 단계로 구성되며 일부는 빠르며 일부는 느립니다.

이들 중 가장 느린 것을 속도 결정 단계라고합니다. 따라서 중간 종과이 단계의 작동 메커니즘을 아는 것은 운동 학적 측면에서 매우 중요합니다. 위의 시각화 중 하나는 시약이 병에 들어 있고 반응시 제품이 외부로 빠져 나간다고 가정하는 것입니다.

마지막으로, 제품은 더 이상의 운동 장애없이 병 입구에서 자유롭게 나옵니다. 이러한 관점에서 보면 다양한 크기와 디자인의 병이 있습니다. 그러나 그들은 모두 한 가지 공통 요소를 가지고 있습니다. 좁은 목, 반응의 결정적인 단계의 지표입니다.

화학 역학은 무엇을 연구합니까?

실험적으로이 화학 분야는 특정 특성의 측정을 기반으로 화학 반응과 관련된 농도 변화를 연구합니다.

화학 역학은 반응 속도에서 파생 될 수있는 모든 정보를 연구하는 화학 분야입니다. 그 이름은 원자로, 구름, 강, 인체 등 어디에서 발생하든 프로세스의 시간을 표시하는 회중 시계를 상상하도록 초대합니다.

모든 화학 반응, 따라서 모든 변형에는 열역학, 평형 및 운동 학적 측면이 있습니다. 열역학은 반응이 자발적인지 아닌지를 나타냅니다. 균형의 정량화 정도; 동역학은 속도에 유리한 조건과 메커니즘에 대한 데이터입니다.

화학 동역학의 필수 측면 중 많은 부분이 일상 생활에서 관찰 될 수 있습니다. 냉장고에서 식품을 동결하여 식품의 일부인 물을 얼려 분해를 줄입니다. 또한, 숙성 된 와인은 숙성되어 즐거운 맛을냅니다.

그러나 "분자의 시간"은 작은 규모에서 매우 다르며 여러 요인 (결합의 수와 유형, 크기, 물질 상태 등)에 따라 크게 다릅니다.

시간은 생명이고 또한 돈이기 때문에 어떤 변수가 화학 반응을 가능한 빨리 진행할 수 있는지 아는 것이 가장 중요합니다. 그러나 때로는 그 반대가 바람직합니다. 특히 발열 성이 있고 폭발 위험이있는 경우 반응이 매우 느리게 발생합니다.

이 변수는 무엇입니까? 일부는 원자로 나 시스템이 가져야하는 압력이나 온도와 같이 물리적입니다. 기타 용매 유형, pH, 염도, 분자 구조 등과 같은 화학 물질입니다.

그러나 이러한 변수를 찾기 전에 먼저 현재 반응의 역학을 연구해야합니다.

어떻게? 농도의 변화를 통해 첫 번째에 비례하는 특정 속성을 정량화 할 때 따를 수 있습니다. 역사를 통틀어 분석법은 더욱 정교 해져서 더 정확하고 정확한 측정이 가능하고 간격이 점점 더 짧아졌습니다.

반응 속도

화학 반응의 속도를 결정하려면 관련된 종의 농도가 시간에 따라 어떻게 변하는 지 알아야합니다. 이 속도는 많은 요인에 따라 크게 달라 지지만 가장 중요한 것은 "느리게"발생하는 반응에 대해 측정 할 수 있다는 것입니다.

여기서 "천천히"라는 단어는 상대적이며 사용 가능한 도구 기술로 측정 할 수있는 모든 것에 대해 정의됩니다. 예를 들어 반응이 장비의 측정 용량보다 훨씬 빠르면 정량적이지 않으며 역학을 연구 할 수 없습니다.

그런 다음 반응 속도는 평형에 도달하기 전에 모든 공정의 임계 값에서 결정됩니다. 왜? 평형 상태에서 순방향 반응 (생성물 형성)과 역반응 (반응물 형성)의 속도가 동일하기 때문입니다.

시스템에 작용하는 변수, 결과적으로 동역학 또는 반응 속도를 제어함으로써 가장 원하는 안전한 시간에 특정 양의 제품을 생성 할 수있는 이상적인 조건을 선택할 수 있습니다.

반면에이 지식은 반응 수율을 높일 때 유용한 분자 메커니즘을 보여줍니다.

정의

속도는 시간의 함수로서 크기의 변화입니다. 이러한 연구에서 관심은 시간과 분이 경과함에 따라 농도의 변화를 결정하는 데 있습니다. 나노, 피코 또는 펨토초 ( ^10-15 초).

그것은 많은 단위를 가질 수 있지만 가장 간단하고 쉬운 것은 M · s ^-1 또는 mol / L · s와 같은 것입니다. 단위에 관계없이 물리량 (예 : 치수 또는 질량)이므로 항상 양의 값을 가져야합니다.

그러나 관례 적으로 반응물의 소실률은 음의 부호를 갖고 제품의 출현율은 양의 부호를 갖습니다.

그러나 반응물과 생성물이 자체 속도를 가지고 있다면 전체 반응 속도를 어떻게 결정합니까? 대답은 화학 양 론적 계수에 있습니다.

일반 방정식

다음 화학 방정식은 A와 B가 C와 D를 형성하는 반응을 나타냅니다.

a A + b B => c C + d D

몰 농도는 일반적으로 대괄호로 표시되므로 예를 들어 종 A의 농도는 다음과 같이 표시됩니다. 따라서 관련된 각 화학 종의 반응 속도는 다음과 같습니다.

수학적 방정식에 따르면 반응 속도에 도달하기위한 네 가지 경로가 있습니다. 반응물 (A 또는 B) 또는 생성물 (C 또는 D)의 농도 변화를 측정합니다.

그런 다음이 값 중 하나와 정확한 화학 양론 계수를 사용하여 후자로 나누어 반응 속도 rxn을 얻습니다.

반응 속도는 양수이므로 음의 부호는 반응물의 음의 속도 값을 곱합니다. 이러한 이유로 계수 a와 b에 (-1)을 곱합니다.

예를 들어 A의 소멸률이-(5M / s)이고 화학 양론 계수 a가 2이면 속도 rxn은 2.5M / s ((-1/2) x 5)와 같습니다.

디저트 예

제품이 디저트라면 유추에 의한 성분은 시약 일 것입니다. 그리고 화학 방정식, 레시피 :

쿠키 7 개 + 브라우니 3 개 + 아이스크림 1 개 => 디저트 1 개

그리고 각 단 재료의 속도와 디저트 자체는 다음과 같습니다.

따라서 디저트를 만드는 속도는 쿠키, 브라우니, 아이스크림 또는 세트 자체의 변화에 ​​따라 결정될 수 있습니다. 그런 다음이를 화학 양 론적 계수 (7, 3, 1 및 1)로 나눕니다. 그러나 경로 중 하나가 다른 경로보다 쉬울 수 있습니다.

예를 들어, 다른 시간 간격에서 증가하는 방식을 측정하는 경우 이러한 측정이 복잡 할 수 있습니다.

반면에, 브라우니 나 아이스크림보다 농도를 쉽게 결정할 수있는 그 수 또는 일부 특성으로 인해 측정하는 것이 더 편리하고 실용적 일 수 있습니다.

그것을 결정하는 방법

간단한 반응 A => B가 주어지면 예를 들어 수용액에서 A가 녹색을 나타내면 농도에 따라 달라집니다. 따라서 A가 B로 변하면 녹색이 사라지고이 소실을 정량화하면 대 t 곡선을 얻을 수 있습니다.

반면에 B가 산성 종이면 용액의 pH가 7 이하의 값으로 떨어집니다. 따라서 pH의 감소로부터 그래프 대 t가 연속적으로 얻어집니다. 그런 다음 두 그래프를 겹쳐서 다음과 같은 것을 볼 수 있습니다.

그래프는 소비되기 때문에 시간이 지남에 따라 감소하는 방식과 제품이기 때문에 곡선이 양의 기울기로 증가하는 방식을 보여줍니다.

또한 그것은 0이되는 경향이 있고 (평형이없는 경우) 화학량 론에 의해 지배되는 최대 값에 도달하고 반응이 완료되면 (모든 A가 소모 됨) 볼 수 있습니다.

A와 B의 반응 속도는 이러한 곡선 중 하나의 접선입니다. 즉, 파생 상품입니다.

반응 속도에 영향을 미치는 요인

화학 종의 특성

모든 화학 반응이 즉각적인 경우 운동 학적 연구는 존재하지 않습니다. 많은 사람들은 속도가 너무 빨라서 측정 할 수 없습니다. 즉, 측정 할 수 없습니다.

따라서 이온 간의 반응은 일반적으로 매우 빠르고 완전합니다 (수율 약 100 %). 반면에 유기 화합물을 포함하는 것은 시간이 걸립니다. 첫 번째 유형의 반응은 다음과 같습니다.

H ₂ SO ₄ + 2NaOH => Na ₂ SO ₄ + 2H ₂ O

이온 사이의 강한 정전 기적 상호 작용은 물과 황산나트륨의 빠른 형성에 유리합니다. 대신 두 번째 유형의 반응은 예를 들어 아세트산의 에스테르 화입니다.

CH ₃ COOH + CH ₃ CH ₂ OH => CH ₃ COOCH ₂ CH ₃ + H ₂ O

물도 형성되지만 반응은 즉각적이지 않습니다. 유리한 조건에서도 완료하는 데 몇 시간이 걸립니다.

그러나 다른 변수는 반응 속도에 더 많은 영향을 미칩니다 : 반응물의 농도, 온도, 압력 및 촉매의 존재.

시약 농도

화학 역학에서는 무한과 분리 된 연구중인 공간을 시스템이라고합니다. 예를 들어 반응기, 비커, 플라스크, 구름, 별 등을 연구중인 시스템으로 간주 할 수 있습니다.

따라서 시스템 내에서 분자는 정적 인 것이 아니라 모든 모서리로 "이동"합니다. 이러한 변위 중 일부에서는 다른 분자와 충돌하여 다시 튀거나 제품을 생성합니다.

그런 다음 충돌 횟수는 반응물의 농도에 비례합니다. 위의 이미지는 시스템이 저농도에서 고농도로 어떻게 변하는 지 보여줍니다.

또한 충돌이 많을수록 두 분자가 반응 할 가능성이 높아짐에 따라 반응 속도가 높아집니다.

반응물이 기체 인 경우 압력 변수가 처리되고 많은 기존 방정식 (예 : 이상 기체)을 가정 할 때 기체 농도와 관련됩니다. 또는 기체 분자가 충돌 할 가능성을 높이기 위해 시스템의 부피를 줄입니다.

온도

충돌 횟수가 증가하지만 모든 분자가 공정의 활성화 에너지를 초과하는 데 필요한 에너지를 가지고있는 것은 아닙니다.

이것이 온도가 중요한 역할을하는 곳입니다. 그것은 분자가 더 많은 에너지와 충돌하도록 열적으로 가속하는 기능을 수행합니다.

따라서 반응 속도는 일반적으로 시스템 온도가 10 ° C 증가 할 때마다 두 배가됩니다. 그러나 모든 반응에 대해 항상 그런 것은 아닙니다. 이 증가를 어떻게 예측합니까? Arrhenius 방정식은 다음 질문에 답합니다.

d (lnK) / dT = E / (RT ² )

K는 온도 T에서 속도 상수, R은 기체 상수, E는 활성화 에너지입니다. 이 에너지는 반응물이 반응하기 위해 확장해야하는 에너지 장벽을 나타냅니다.

운동 학적 연구를 수행하기 위해서는 촉매없이 온도를 일정하게 유지해야합니다. 촉매 란 무엇입니까? 그들은 반응에 참여하지만 소비되지 않는 외부 종이며 활성화 에너지를 감소시킵니다.

위의 이미지는 포도당과 산소의 반응에 대한 촉매 작용의 개념을 보여줍니다. 빨간색 선은 효소 (생물학적 촉매)가없는 활성화 에너지를 나타내며, 파란색 선은 활성화 에너지의 감소를 나타냅니다.

화학 동역학의 반응 순서

화학 방정식에서 반응 메커니즘과 관련된 화학 양 론적 지수는 동일한 순서의 지수와 동일하지 않습니다. 화학 반응은 일반적으로 1 차 또는 2 차, 드물게 3 차 이상입니다.

이것은 무엇을 위해? 세 개의 에너지 적으로 여기 된 분자의 충돌은 거의 일어나지 않으며, 4 배 또는 5 배 충돌은 훨씬 더 높기 때문에 확률이 극히 적습니다. 분수 반응 순서도 가능합니다. 예를 들면 :

NH ₄ Cl <=> NH ₃ + HCl

평형으로 간주되는 경우 반응은 한 방향 (왼쪽에서 오른쪽으로)에서 1 차, 다른 방향에서 (오른쪽에서 왼쪽으로) 2 차입니다. 다음 평형은 양방향에서 2 차입니다.

2HI <=> H ₂ + I ₂

분자 성과 반응 순서가 같습니까? 분자도는 반응하여 생성물을 생성하는 분자의 수이며 전체 반응 순서는 속도 결정 단계에 포함 된 반응물과 동일한 순서입니다.

2KMnO ₄ + 10KI + 8H ₂ SO ₄ => 2MnSO ₄ + 5I ₂ + 6K ₂ SO ₄ + 8H ₂ O

이 반응은 높은 화학 양 론적 지수 (분자도)를 가지고 있음에도 불구하고 실제로 2 차 반응입니다. 즉, 속도 결정 단계는 2 차입니다.

0 차 반응

이질적인 반응의 경우에 발생합니다. 예 : 액체와 고체 사이. 따라서 속도는 반응물의 농도와 무관합니다.

마찬가지로 반응물의 반응 차수가 0이면 속도 결정 단계에 참여하지 않고 빠른 단계에 참여 함을 의미합니다.

1 차 반응

A => B

1 차 반응에는 다음과 같은 비율 법이 적용됩니다.

V = k

A의 농도가 두 배가되면 반응 속도 V가 두 배가됩니다. 따라서 속도는 반응의 결정 단계에서 시약의 농도에 비례합니다.

2 차 반응

2A => B

A + B => C

방금 쓴 두 가지 화학 방정식에서와 같이 두 종이 이러한 유형의 반응에 관여합니다. 반응 속도 법칙은 다음과 같습니다.

V = k ²

V = k

첫 번째 반응 속도는 A 농도의 제곱에 비례하고 두 번째 반응 속도는 1 차 반응에서와 동일합니다. 속도는 A와 B의 농도에 정비례합니다.

반응 순서와 분자 성

이전 예에 따르면 화학 양론 계수는 반응의 순서와 일치 할 수도 있고 일치하지 않을 수도 있습니다.

그러나 이것은 반응의 모든 단계의 분자 메커니즘을 결정하는 원소 반응에서 발생합니다. 이 반응에서 계수는 참여 분자의 수와 같습니다.

예를 들어, A 분자는 B 중 하나와 반응하여 C 분자를 형성합니다. 여기서 분자도는 반응물에 대해 1이므로 속도 법칙의 표현에서 반응 순서와 일치합니다.

이로부터 분자 성은 항상 정수 여야하며 확률 적으로 4 미만이어야합니다.

왜? 메커니즘의 통과에서 4 개의 분자가 동시에 참여할 가능성은 거의 없습니다. 두 사람이 먼저 반응하고 나머지 두 사람이이 제품에 반응 할 수 있습니다.

수학적으로 이것은 반응 순서와 분자 성의 주요 차이점 중 하나입니다. 반응 순서는 분수 값 (1/2, 5/2 등)을 취할 수 있습니다.

전자는 종의 농도가 속도에 미치는 영향을 반영 할뿐 분자가 프로세스에 개입하는 방식은 반영하지 않기 때문입니다.

응용

-약물이 완전히 대사되기 전에 약물이 체내에 남아있는 시간을 결정할 수 있습니다. 마찬가지로, 운동 학적 연구 덕분에 환경에 부정적인 영향을 미치는 다른 촉매에 비해 녹색 방법으로 효소 촉매 작용을 따를 수 있습니다. 또는 무수한 산업 공정에서 사용됩니다.

-자동차 산업, 특히 엔진 내에서, 차량 시동을 위해 전기 화학 반응을 신속하게 수행해야하는 경우. 또한, CO, NO 및 NO가 변화하는 유해 가스가 촉매 컨버터는 배기 파이프에서 _X CO로 ₂ , H ₂ O, N ₂ 와 O ₂ 최적 시간 동안.

2NaN ₃ (s) = 2Na (s) + 3N ₂ (g)

-차량이 충돌 할 때 에어백이 팽창하는 이유, '에어백'에 대한 반응입니다. 타이어가 세게 브레이크를 밟으면 감지기가 아 지드 화 나트륨 인 NaN _3을 전기적으로 폭발시킵니다 . 이 시약은 "폭발"하여 N _2를 방출 하여 백의 전체 부피를 빠르게 차지합니다.

금속 나트륨은 순수한 상태에서는 유독하기 때문에 다른 성분과 반응하여 중화시킵니다.

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