반응 속도

많은 반응은 온도가 10 °C 오르면 속도가 대략 두 배가 됩니다. 음식이 냉장고에서는 며칠 가지만 따뜻한 조리대 위에서는 금방 상하는 까닭입니다.

폭발은 눈 깜짝할 사이에 끝나지만, 쇠가 녹스는 데에는 몇 년이 걸립니다. 반응 속도(rate)는 반응물이 얼마나 빨리 써서 없어지는지, 또는 생성물이 얼마나 빨리 만들어지는지를 나타냅니다. 예를 들어 초당, 리터당 몇 몰이 바뀌는지로 씁니다. 반응식이 똑같은 두 반응이라도 조건이 다르면 속도가 크게 달라질 수 있습니다. 그리고 요리에서 의약품과 산업에 이르기까지, 화학이 하는 일의 많은 부분이 바로 이 속도를 조절하는 일입니다.

충돌 이론

충돌 이론(collision theory)은 세 가지 생각으로 반응 속도를 설명합니다. 첫째, 입자들이 서로 만나야 합니다. 반응 속도는 반응물 입자들이 얼마나 자주 서로 부딪치는지에 달려 있습니다. 둘째, 알맞은 방향으로 만나야 합니다. 앞으로 결합하게 될 원자끼리 서로 마주 보고 있어야 합니다. 셋째, 활성화 에너지에 이를 만큼 충분히 세게 부딪쳐야 합니다. 이 세 가지 조건을 모두 통과한 충돌만이 생성물로 이어집니다. 실험실에서는 최근 5초 동안 일어난 충돌 수와, 그 가운데 에너지가 충분했던 충돌 수를 표시합니다. 그 숫자를 지켜보세요. 대부분의 충돌은 아무 일 없이 그냥 튕겨 나가고 맙니다.

반응 속도를 바꾸는 다섯 가지

반응 속도를 정하는 요인 가운데 먼저 반응물의 종류가 중요합니다. 작은 나트륨 조각과 철 조각을 공기 중에 놓아두면 둘은 전혀 다르게 반응합니다. 나트륨은 하룻밤 사이에 완전히 반응해 버리지만 철은 거의 그대로 남아 있습니다. 또 칼슘은 물과 적당한 속도로 반응하지만, 나트륨은 물과 거의 폭발하듯 반응합니다. 둘째 요인은 표면적입니다. 고체가 액체나 기체와 반응할 때는 표면적이 중요합니다. 반응은 둘이 서로 맞닿은 면에서만 일어나기 때문입니다. 큰 통나무는 연기만 내며 천천히 타고, 잔가지는 빨리 타오르며, 공기 중에 흩어진 톱밥은 폭발하듯 탈 수 있습니다. 철가루는 묽은 산에서 철못보다 훨씬 빨리 거품을 냅니다.

셋째는 온도입니다. 뜨거운 입자는 더 빨리 움직이므로 더 자주 부딪치고, 그 충돌 가운데 반응할 만큼 센 충돌이 차지하는 비율도 훨씬 커집니다. 많은 과정에서 온도가 10 °C 오를 때마다 반응 속도가 대략 두 배로 빨라집니다. 넷째는 농도입니다. 같은 공간 안에 입자가 많을수록 충돌도 그만큼 많아집니다. 예를 들어 인은 산소가 약 20%밖에 없는 공기 속에서보다 순수한 산소 속에서 훨씬 빨리 탑니다. 다섯째는 촉매로, 자신은 소모되지 않으면서 반응을 빠르게 하는 물질입니다. 과산화 수소는 병 속에 있을 때는 아주 천천히 분해되지만, 상처에 부으면 곧바로 거품이 일어납니다. 상처 조직 속에 있는 물질이 촉매로 작용하기 때문입니다.

온도의 효과를 숫자로

스웨덴 화학자 스반테 아레니우스는 반응 속도 상수 k가 온도에 따라 어떻게 바뀌는지를 식으로 나타냈습니다. k = A·e^(−Eₐ/RT) 이고, R은 8.314 J/(mol·K), T는 켈빈 온도입니다. 식에 있는 지수 항은 에너지가 충분한 충돌이 차지하는 비율을 나타내며, 온도가 오르면 빠르게 커집니다. 활성화 에너지가 50 kJ/mol인 반응을 25 °C에서 35 °C로 올리면 속도는 약 1.92배가 되어 두 배 규칙과 비슷합니다. 같은 반응을 0 °C로 식히면 25 °C 때의 약 0.16배로 느려집니다. 실험실 표시의 마지막 줄은 여러분이 고른 온도에 대해 바로 이 계산을 해서 보여 줍니다.

실험실의 입자 모형은 에너지 장벽을 일부러 낮춰 두었습니다. 그렇지 않으면 반응이 영영 보이지 않을 텐데, 이렇게 해서 몇 초 안에 반응이 보이게 했습니다. 이 모형이 맡은 일은 반응이 어떤 경향을 따르는지 보여 주는 것입니다. 속도가 빠를수록, 입자가 많을수록, 장벽이 낮을수록 초록 선이 가파르게 올라갑니다. 또 시간이 지나면서 파란 선이 점점 완만해지는 것도 눈여겨보세요. 반응물이 써서 줄어들면 서로 부딪칠 A 입자가 적어지므로, 온도를 그대로 두어도 반응은 저절로 느려집니다.