반응 속도

Reaction Rate

반응 속도는 단위 시간당 반응물이 줄거나 생성물이 늘어나는 정도이고, 활성화 에너지보다 큰 에너지를 가진 분자만 반응할 수 있어요. 온도가 오르면 분자 에너지 분포가 넓어져 반응 가능한 분자 비율이 크게 늘고, 촉매는 활성화 에너지를 낮춰 속도를 높여요. 속도 법칙 v = k[A]^m[B]^n에서 차수는 실험으로 정하고, 농도·온도·촉매가 속도를 좌우해요. 이 페이지에서는 온도와 활성화 에너지, 촉매 유무를 바꿔 분포 곡선과 에너지 경로를 비교해 봐요.

직관 도입: 왜 어떤 반응은 느린가?

💡 비유: 산 넘기

①모든 화학 반응은 '에너지 언덕(E_a)'을 넘어야 일어난다

②분자들은 운동 에너지를 가지고 있지만, 전부 같은 속도는 아니다

③E_a보다 큰 에너지를 가진 분자만 반응할 수 있다

④냉장고에 음식 보관 = 온도↓ → 분자 운동↓ → 반응(부패) 속도↓

⑤반응 속도란? = 단위 시간당 반응물 감소량 또는 생성물 증가량

온도와 분자 에너지 분포

온도 (°C)25

활성화 에너지 Ea (kJ)50

🔍 음영 영역을 관찰하라!

①온도가 높아지면 → 분포 곡선이 오른쪽으로 퍼진다

②E_a 이상의 에너지를 가진 분자 비율이 크게 증가

③온도를 10°C 올리면 반응 속도 약 2~4배 증가

④E_a가 낮은 반응일수록 온도 효과가 상대적으로 작다

촉매의 효과

촉매 사용 (0=없음, 1=사용)0

💡 촉매의 원리

①촉매는 새로운 반응 경로를 제공 → 활성화 에너지(E_a) 감소

②더 많은 분자가 E_a를 넘을 수 있게 됨 → 반응 속도↑

③촉매 자체는 반응 전후 변하지 않음 (소모되지 않는다)

④정반응·역반응 E_a를 동시에 낮춤 → 평형 위치 불변

반응 속도식

속도 법칙

v = k[A]^m[B]ⁿ

k: 속도 상수, m·n: 반응 차수 (실험으로 결정)

아레니우스 식

k = Ae^-E_a/RT

T↑ → k↑ → 반응 빠름 | E_a↓ → k↑ → 반응 빠름

📐 농도와 반응 속도

①[A]↑ → 충돌 횟수↑ → 반응 속도↑

②반응 차수(m, n)는 반응식 계수와 관계없이 실험으로만 결정

③0차 반응: 농도 무관, 1차 반응: 농도에 비례, 2차 반응: 농도 제곱에 비례

④반감기(t_½): 반응물이 절반으로 줄어드는 시간

예제로 익히기

예제 1

속도식이 v = k[A][B]인 반응에서 [A]를 2배로 늘리면 반응 속도는 몇 배가 되는가? (다른 조건 일정)

[A]에 대한 차수가 1이므로 속도는 [A]에 정비례한다.

v = k[A][B], [A]에 대해 1차

[A]만 2배 → 속도도 2배.

v ∝ [A] ⇒ 2배

▸ 2배

속도식의 지수가 차수. [A]의 차수 1 → [A] 2배면 속도 2배.

예제 2

어떤 반응에서 [A]를 2배로 했더니 반응 속도가 4배가 되었다. A에 대한 반응 차수는?

속도 ∝ [A]^m에서 [A]가 2배일 때 속도가 2^m배.

2^m = 4

m을 구한다.

2^m = 4 = 2² ⇒ m = 2

▸ 2차 (m = 2)

반응 차수는 반응식 계수가 아니라 실험으로 결정. 속도 변화 배수 = 2^m.

총정리

핵심 공식

v = k[A]^m[B]ⁿ

속도 상수 k는 온도와 활성화 에너지에 의존

수능 유형 변형

촉매에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

①활성화 에너지를 낮춰 반응 속도를 높인다

②정반응과 역반응의 속도를 모두 높인다

③반응 전후 자신은 소모되지 않는다

④평형 상수 K와 평형 위치를 변화시킨다

⑤새로운 반응 경로를 제공한다

▸ ④ 평형 상수 K와 평형 위치를 변화시킨다

촉매는 정·역반응의 활성화 에너지를 똑같이 낮춰 평형 도달을 빠르게 할 뿐이다.

K와 평형 위치는 변하지 않으므로 ④가 옳지 않다.

🎯 시험 포인트

①v = k[A]^m[B]^n: m, n은 실험으로만 결정 (계수와 무관!)

②온도↑10°C → 속도 약 2~4배 (아레니우스 식)

③촉매: E_a를 낮춰 속도↑ (평형 위치는 불변)

④농도↑ → 충돌 빈도↑ → 속도↑

⑤1차 반응 반감기: t_½는 농도 무관 (방사성 붕괴와 동일 패턴)