화학 고3 반응 속도 심화

반응 메커니즘

전체 반응이 일어나는 단계별 기초 반응(elementary step)의 순서. 속도 결정 단계(느린 단계)가 전체 반응 속도를 결정하며, 중간체가 등장한다.

전체 반응이 실제로는 여러 개의 기초 반응(한 번의 충돌로 끝나는 단일 단계)을 거쳐 일어나며, 그 단계들의 순서를 적어 놓은 것입니다.

전체 반응식은 '서울 → 부산'이라고만 적힌 표이고, 메커니즘은 실제로 지나간 경로와 경유지입니다. 그리고 전체 소요 시간은 가장 막히는 구간 하나가 결정합니다.

쉽게 말하면

화학 반응식은 결산표입니다. 무엇이 들어가 무엇이 나왔는지만 알려 줄 뿐, 그 사이에 실제로 무슨 일이 일어났는지는 감춥니다. 세 개 이상의 입자가 동시에 정확한 방향으로 부딪힐 확률은 사실상 0이므로, 계수가 큰 반응이 한 번에 일어나는 일은 없습니다. 반응은 거의 언제나 두 입자씩 부딪히는 기초 반응의 연속입니다.

기초 반응에는 특권이 하나 있습니다. 기초 반응에서만 계수를 그대로 차수로 쓸 수 있습니다. 기초 반응은 그 자체가 하나의 충돌 사건이라, 두 입자가 부딪혀야 하는 반응이면 두 농도의 곱에 비례하는 것이 당연하기 때문입니다. 전체 반응식에는 이 특권이 없습니다(반응 속도식과 반응 차수).

여러 단계 중 활성화 에너지가 가장 큰, 즉 가장 느린 단계를 속도 결정 단계라고 합니다. 병목입니다. 앞뒤 단계가 아무리 빨라도 전체 속도는 이 단계를 넘지 못하므로, 실험으로 얻은 속도식은 속도 결정 단계의 모습을 반영합니다. 이것이 메커니즘을 검증하는 방법입니다 — 제안한 메커니즘이 예측하는 속도식이 실험값과 어긋나면 그 메커니즘은 폐기됩니다.

단계들 사이에는 전체 반응식에 없는 물질이 등장합니다. 중간 단계에서 생겼다가 뒤에서 소모되면 중간체, 처음에 소모되었다가 뒤에서 되살아나면 촉매입니다. 둘 다 전체 식에서 지워지지만 등장 순서가 정반대입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

속도식이 전체 반응식을 배신하는 고전적인 예

$전체 : N O_{2} + CO \to NO + C O_{2}, 실험 : v = k [N O_{2}]^{2}$

전체 식만 보면 $v = k [N O_{2}] [CO]$ 일 것 같은데, 실제로는 $CO$ 의 농도가 속도식에 아예 없습니다. 메커니즘을 보면 이해됩니다 — 느린 1단계 $N O_{2} + N O_{2} \to N O_{3} + NO$ 가 병목이고, 빠른 2단계 $N O_{3} + CO \to N O_{2} + C O_{2}$ 에서야 $CO$ 가 등장합니다. 병목을 이미 통과한 뒤라 $CO$ 를 아무리 늘려도 전체 속도는 빨라지지 않습니다.
예시 2

속도 결정 단계 = 가장 좁은 문

공연장 출구가 세 개 있는데 하나가 유난히 좁다면, 나머지 두 개를 아무리 넓혀도 사람들이 빠져나가는 속도는 거의 안 변합니다. 반대로 그 좁은 문을 조금만 넓혀도 전체가 확 빨라집니다. 촉매가 하는 일이 바로 이 좁은 문(활성화 에너지가 가장 큰 단계)을 넓히는 것입니다.
예시 3

중간체는 어디에 있나

위 예의 $N O_{3}$ 는 1단계에서 만들어졌다가 2단계에서 즉시 소모됩니다. 두 단계를 더하면 양변에서 지워지므로 전체 반응식에는 나타나지 않지만, 실제로는 아주 짧은 시간 동안 존재합니다. 이런 중간체를 실험으로 검출해 내면 그 메커니즘의 강력한 증거가 됩니다.

중간체와 촉매 — 둘 다 전체 반응식에 없다

구분	중간체	촉매
등장 순서	먼저 생성되고, 나중에 소모됨	먼저 소모되고, 나중에 재생됨
반응 시작 전	존재하지 않음	처음부터 넣어 줌
반응이 끝난 뒤	남아 있지 않음	넣은 만큼 그대로 남음
에너지 그림에서	봉우리 사이의 얕은 골짜기	봉우리 자체를 낮춘 새 경로를 만듦
전체 반응식	약분되어 사라짐	약분되어 사라짐

자주 하는 오해

중간체와 촉매를 헷갈리기

이렇게 생각하기 쉬움전체 반응식에 안 나오는 물질은 다 중간체다

실제로는생겼다가 없어지면 중간체, 없어졌다가 다시 생기면 촉매입니다. 순서를 보세요.

둘 다 단계들을 더하면 약분되어 사라지므로 결과만 보면 구별이 안 됩니다. 구별의 기준은 '반응을 시작할 때 플라스크에 그 물질이 있었는가'입니다. 촉매는 처음부터 넣어 둔 것이고, 중간체는 반응 도중에 저절로 생겨난 것입니다. 그래서 촉매는 첫 등장이 반응물 쪽(왼쪽), 중간체는 첫 등장이 생성물 쪽(오른쪽)입니다.

속도 결정 단계를 첫 번째 단계와 같은 말로 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움1단계가 제일 먼저 일어나니까 1단계가 속도 결정 단계다

실제로는속도 결정 단계는 순서상 첫 단계가 아니라 가장 느린 단계입니다. 두 번째든 세 번째든 될 수 있습니다.

'가장 느린'의 기준은 활성화 에너지가 가장 큰 것이지 순서가 아닙니다. 게다가 속도 결정 단계가 2단계이고 1단계가 빠른 평형이면, 2단계 속도식에 들어 있는 중간체의 농도를 1단계 반응물의 농도로 바꿔 표현해야 합니다. 이 경우 1단계 반응물이 속도식에 나타나고, 1단계 생성물이 분모에 오기도 합니다 — '느린 단계의 반응물만 속도식에 나온다'는 규칙을 기계적으로 외운 학생이 정확히 여기서 틀립니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

반응 속도식과 반응 차수고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

없음 — 이 개념이 마지막입니다

같은 단원의 개념 — 반응 속도

균일·불균일 촉매고3 반감기고3 반응 속도고3 반응 속도식과 반응 차수고3 아레니우스 식고3 촉매고3 충돌 이론고3 활성화 에너지고3

자주 묻는 질문

Q1왜 세 입자가 동시에 부딪히는 반응은 거의 없나요?

두 입자가 만나기도 쉽지 않은데, 세 입자가 같은 순간 같은 자리에서 게다가 각각 알맞은 방향으로 부딪혀야 하기 때문입니다. 확률이 극단적으로 작아서 실질적으로 무시합니다. 반응식의 계수가 3 이상인데도 반응이 멀쩡히 진행되는 것은, 실제로는 2분자 충돌 여러 번으로 쪼개져 일어나기 때문입니다.

Q2메커니즘은 증명된 사실인가요?

아닙니다. 메커니즘은 언제나 '가설'입니다. 실험 속도식과 모순되지 않고, 중간체가 검출되고, 다른 증거와도 맞으면 받아들여지지만, 새 증거가 나오면 수정될 수 있습니다. 반대로 실험 속도식과 어긋나면 그 자리에서 틀린 것으로 확정됩니다 — 반증은 확실하지만 증명은 늘 잠정적입니다.

Q3메커니즘이 맞는지 어떻게 확인하나요?

두 가지를 봅니다. 첫째, 모든 단계를 더했을 때 전체 반응식이 나와야 합니다. 둘째, 속도 결정 단계에서 유도한 속도식이 실험으로 얻은 속도식과 일치해야 합니다. 이 둘 중 하나라도 어긋나면 그 메커니즘은 후보에서 탈락합니다.

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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