화학 고3 반응 속도 심화

충돌 이론

반응이 일어나려면 충분한 운동 에너지(≥Ea)를 가진 입자들이 올바른 방향으로 충돌해야 한다. 유효 충돌 횟수가 반응 속도를 결정한다.

반응은 입자들이 충돌해야 일어나되, 활성화 에너지 이상의 에너지를 가지고 올바른 방향으로 부딪힌 '유효 충돌'만이 반응이 된다고 설명하는 이론입니다.

농구 슛과 같습니다. 일단 던져야(충돌) 하고, 림까지 닿을 힘(에너지)이 있어야 하며, 방향까지 맞아야(배향) 들어갑니다. 던진 횟수가 아니라 '들어간 횟수'가 점수인 것처럼, 충돌 횟수가 아니라 유효 충돌 횟수가 반응 속도를 정합니다.

쉽게 말하면

기체 속 입자들은 1초에 수십억 번씩 서로 부딪힙니다. 만약 충돌이 곧 반응이라면 모든 반응이 순식간에 끝나야 하는데, 실제로는 대부분의 충돌이 그냥 튕겨 나갑니다. 충돌 이론은 반응이 되는 충돌에 두 가지 조건을 겁니다.

첫째, 에너지 조건입니다. 충돌하는 순간의 운동 에너지가 활성화 에너지 이상이어야 결합이 끊어지기 시작합니다. 같은 온도라도 입자들의 속력은 제각각이라 에너지 분포에 넓은 폭이 있고, 그중 $E_{a}$ 를 넘는 '꼬리 부분'의 입자만 자격이 있습니다(기체 운동론의 속력 분포를 떠올리면 좋습니다).

둘째, 배향 조건입니다. 반응할 원자끼리 마주 보고 부딪혀야 합니다. 에너지가 충분해도 엉뚱한 쪽이 부딪히면 그냥 튕겨 나갑니다.

이 둘을 합치면 반응 속도는 대략 이렇게 됩니다.

$반응 속도 \propto (충돌 빈도) \times (방향이 맞을 확률) \times (E_{a} 를 넘을 확률)$

반응 속도에 영향을 주는 조건들이 왜 그런 효과를 내는지가 이 식에서 한꺼번에 설명됩니다. 농도·압력을 높이면 충돌 빈도가 커지고, 고체를 잘게 부수면 접촉 면적이 늘어 충돌 빈도가 커집니다. 온도를 올리면 충돌 빈도도 조금 커지지만, 무엇보다 $E_{a}$ 를 넘을 확률이 폭발적으로 커집니다. 촉매는 $E_{a}$ 자체를 낮춰 넘을 확률을 키웁니다. 앞의 두 항이 아레니우스 식의 $A$ , 마지막 항이 $e^{- E_{a} / R T}$ 에 해당합니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

방향이 틀리면 에너지가 충분해도 소용없다

$NO$ 와 $N O_{3}$ 가 부딪혀 $N O_{2}$ 두 개가 되려면 $NO$ 의 질소 쪽이 $N O_{3}$ 의 산소 쪽을 향해야 합니다. 산소끼리 부딪히면 아무리 세게 부딪혀도 그냥 튕깁니다. 분자가 크고 복잡할수록 '맞는 방향'의 비율이 작아져, 같은 활성화 에너지라도 반응이 훨씬 느립니다.
예시 2

온도 10 °C의 위력

$300 K$ 에서 $310 K$ 로 올리면 입자의 평균 속력은 $T$ 에 비례하니 겨우 $2 %$ 쯤 빨라지고, 충돌 빈도도 그 정도만 늘어납니다. 그런데 실제 반응 속도는 몇 배로 뛰는 경우가 많습니다. 늘어난 것은 충돌 횟수가 아니라, 에너지 분포에서 $E_{a}$ 를 넘는 꼬리의 넓이입니다.
예시 3

밀가루 덩어리와 밀가루 먼지

밀가루 반죽은 성냥을 대도 잘 타지 않지만, 공기 중에 흩날린 밀가루 가루에 불씨가 닿으면 순식간에 폭발적으로 탑니다. 같은 물질, 같은 반응인데 접촉할 수 있는 표면이 수천 배로 늘어 단위 시간당 충돌 횟수가 폭증했기 때문입니다.

자주 하는 오해

충돌하기만 하면 반응한다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움입자끼리 부딪히면 반응이 일어나므로, 충돌 횟수가 곧 반응 횟수다

실제로는충돌은 필요조건일 뿐입니다. 대다수의 충돌은 에너지가 모자라거나 방향이 틀려 그냥 튕겨 나갑니다.

상온의 기체는 1초에 어마어마한 횟수로 충돌합니다. 충돌이 곧 반응이라면 세상의 모든 반응이 순간적으로 끝나야 하는데, 실제로는 몇 시간, 몇 년이 걸리는 반응이 수두룩합니다. 반응 속도가 느린 이유는 '잘 안 만나서'가 아니라 '만나도 대부분 자격 미달이라서'입니다.

온도를 올리면 충돌이 잦아져 반응이 빨라진다고만 설명하기

이렇게 생각하기 쉬움온도가 높으면 입자가 빨리 움직여 더 자주 부딪히니까 반응이 빨라진다

실제로는충돌 빈도 증가는 아주 작은 기여일 뿐입니다. 결정적인 이유는 활성화 에너지를 넘는 입자의 비율이 지수적으로 늘기 때문입니다.

속력은

T

에만 비례해서 온도를 조금 올려도 충돌 빈도는 몇 % 늘 뿐인데, 반응 속도는 배로 뜁니다. 숫자가 맞지 않습니다. 실제로 커진 것은 에너지 분포 곡선에서

E_{a}

오른쪽에 있는 넓이입니다 — 온도가 오르면 분포가 오른쪽으로 퍼지면서 이 꼬리의 넓이가 훨씬 큰 배수로 커집니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

활성화 에너지고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

반응 속도고3

연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요

기체 운동론고3

같은 단원의 개념 — 반응 속도

균일·불균일 촉매고3 반감기고3 반응 메커니즘고3 반응 속도고3 반응 속도식과 반응 차수고3 아레니우스 식고3 촉매고3 활성화 에너지고3

자주 묻는 질문

Q1고체나 액체 반응도 충돌 이론으로 설명하나요?

충돌 이론은 기체에 가장 잘 들어맞습니다. 용액에서는 용매 분자에 둘러싸인 채 여러 번 반복해 부딪히는 등 사정이 복잡하고, 고체는 표면에서만 반응하므로 '충돌 빈도' 대신 표면적이 핵심 변수가 됩니다. 다만 '에너지 조건 + 배향 조건을 갖춘 만남만 반응이 된다'는 뼈대는 그대로 유효합니다.

Q2충돌 이론으로 모든 반응 속도를 정확히 계산할 수 있나요?

아닙니다. 단순한 이론식으로 예측한 속도는 실제보다 훨씬 크게 나오는 경우가 많습니다. 배향 조건을 정확히 다루기 어렵기 때문인데, 그래서 아레니우스 식에서는 이 사정을 실험으로 정하는 상수

A

에 몰아넣습니다.

Q3그러면 활성화 에너지는 어디서 오나요?

충돌하는 두 입자의 상대 운동 에너지에서 옵니다. 부딪히는 순간 운동 에너지가 결합을 일그러뜨리는 위치 에너지로 바뀌는데, 이때 필요한 만큼 못 바꾸면 결합이 다시 원래대로 돌아가며 튕겨 나옵니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 화학 · 반응 속도 수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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'문턱을 넘을 확률'을 온도와 $E_{a}$ 의 함수로 딱 떨어지게 쓴 것이 아레니우스 식입니다. 이 이론의 결론을 계산 가능한 식으로 바꿔 보세요.

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