화학 고3 반응 속도

반응 속도

Q: 반응 속도의 단위는 무엇인가요?

농도를 시간으로 나눈 것이므로 보통 mol/(L·s)를 씁니다. 느린 반응은 초 대신 분이나 시간을 쓰기도 합니다. 뒤에 배울 속도 상수 k의 단위는 반응 차수에 따라 달라지지만, 속도 v 자체의 단위는 언제나 이 형태입니다.

단위 시간당 반응물 농도 감소 또는 생성물 농도 증가로 정의하는 화학 반응의 빠르기이다. 진로선택 「물질과 에너지」 소속.

단위 시간 동안 반응물의 농도가 얼마나 줄어드는지(또는 생성물의 농도가 얼마나 늘어나는지)로 나타낸 화학 반응의 빠르기입니다.

자동차의 속력이 '위치가 얼마나 빨리 변하는가'이듯, 반응 속도는 '농도가 얼마나 빨리 변하는가'입니다. 속력처럼 시시각각 달라진다는 점도 똑같습니다 — 반응이 진행될수록 반응물이 줄어 대개 느려집니다.

쉽게 말하면

반응 속도는 '얼마나 많이 반응했는가'가 아니라 '얼마나 빨리 변하고 있는가'입니다. 반응식 $a A + b B \to c C + d D$ 에 대해 다음과 같이 정의합니다.

$v = - \frac{1}{a} \frac{Δ [ A ]}{Δ t} = - \frac{1}{b} \frac{Δ [ B ]}{Δ t} = \frac{1}{c} \frac{Δ [ C ]}{Δ t} = \frac{1}{d} \frac{Δ [ D ]}{Δ t}$

반응물 앞의 (−)는 농도가 줄어드는 것을 양수로 만들어 주기 위한 부호이고, 계수로 나누는 이유는 어느 물질을 기준으로 재든 '이 반응 하나'의 속도가 같은 값이 되게 하기 위해서입니다.

왜 반응이 빨라지거나 느려지는지는 충돌 이론이 설명합니다. 입자가 부딪혀야 반응이 되는데, 아무 충돌이나 되는 게 아니라 활성화 에너지라는 문턱을 넘는 충돌만 반응이 됩니다. 그래서 농도(또는 기체라면 압력·부피와 얽힌 농도, 이상 기체 법칙 참고)를 높이면 충돌이 잦아져 빨라지고, 온도를 올리면 문턱을 넘는 입자 비율이 급격히 늘어 빨라지며, 촉매를 넣으면 문턱 자체가 낮아져 빨라집니다. 고체가 참여하면 잘게 부술수록(표면적↑) 빨라집니다.

실험에서는 농도를 직접 재기 어려울 때가 많아, 발생한 기체의 부피, 색의 진하기, 질량 감소, pH 변화처럼 농도에 비례하는 양을 시간에 따라 측정한 뒤 그래프의 기울기로 속도를 얻습니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

평균 반응 속도 구하기

$v = - \frac{Δ [ A ]}{Δ t} = - \frac{0.30 - 0.50}{10 - 0} = 0.02 mol/ (L \cdot s)$

A의 농도가 $10 s$ 동안 $0.50 mol/L$ 에서 $0.30 mol/L$ 으로 줄었다면 이 구간의 평균 속도입니다. 이 값은 '10초 동안 평균적으로'일 뿐, 0초일 때와 10초일 때의 순간 속도와는 다릅니다.
예시 2

계수가 다르면 물질마다 변하는 빠르기가 다르다

$2 H_{2} O_{2} \to 2 H_{2} O + O_{2}$

$H_{2} O_{2}$ 가 $2 mol$ 없어질 때 $O_{2}$ 는 $1 mol$ 생깁니다. 즉 산소가 생기는 빠르기는 과산화 수소가 없어지는 빠르기의 절반입니다. 계수로 나눠 주어야 두 값이 같은 하나의 '반응 속도'가 됩니다.
예시 3

마그네슘 리본과 묽은 염산

발생하는 수소 기체의 부피를 시간에 따라 재면 곡선이 처음엔 가파르다가 점점 완만해지다 평평해집니다. 가파른 구간이 빠른 구간이고, 평평해진 순간은 '속도가 0', 즉 반응이 끝난 때입니다. 염산을 진하게 하거나, 온도를 올리거나, 리본 대신 가루를 쓰면 곡선이 더 가팔라집니다.

순서대로 하면

그래프에서 반응 속도를 읽는 순서

1세로축이 무엇인지 확인합니다 — 반응물 농도라면 그래프가 내려가고, 생성물 농도라면 올라갑니다.
2두 시각 사이의 평균 속도는 그 두 점을 이은 직선의 기울기입니다.
3특정 시각의 순간 속도는 그 점에서 그은 접선의 기울기입니다.
4반응물이면 기울기가 음수이므로 부호를 뒤집고, 반응식의 계수로 나눠 하나의 반응 속도로 통일합니다.
5그래프가 평평해졌다면 속도가 0 — 반응물이 다 소모되었거나 평형에 도달한 것입니다.

평균 속도와 순간 속도

구분	평균 반응 속도	순간 반응 속도
의미	일정 시간 구간 동안의 평균적인 빠르기	특정 순간의 빠르기
그래프에서	두 점을 이은 직선의 기울기	그 점에서의 접선의 기울기
쓰임	실험 데이터를 몇 초 간격으로 잰 경우	반응 속도식( $v = k [A]^{m}$ )에 대입할 때
초기 속도	-	$t = 0$ 일 때의 순간 속도 — 역반응이 없어 해석이 가장 깨끗함

자주 하는 오해

반응 속도가 반응 내내 일정하다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움이 반응은 100초 만에 끝났으니 반응 속도는 일정하게 유지되었다

실제로는대부분의 반응은 시작할 때 가장 빠르고, 반응물이 줄어들수록 점점 느려집니다.

속도는 농도에 의존하는데, 반응이 진행되면 반응물 농도가 계속 떨어지기 때문입니다. 그래서 '몇 초 만에 끝났나'는 속도가 아니라 여러 순간 속도의 결과일 뿐입니다. 속도식에 대입할 때 초기 속도를 쓰는 것도 이 때문입니다.

온도를 올리면 빨라지는 이유를 '충돌이 잦아져서'라고만 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움온도가 높으면 입자가 빨리 움직이니 더 자주 부딪혀서 반응이 빨라진다

실제로는충돌 횟수도 늘긴 하지만 아주 조금입니다. 훨씬 큰 이유는 활성화 에너지를 넘을 만큼 에너지가 큰 입자의 비율이 급격히 늘어나기 때문입니다.

충돌 빈도는 대략

T

에 비례해서,

300 K

에서

310 K

로 올려 봐야 몇 %밖에 늘지 않습니다. 반면 에너지 분포의 '문턱을 넘는 꼬리' 넓이는 지수적으로 커집니다 — 아레니우스 식의

e^{- E_{a} / R T}

부분이 바로 그 비율입니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

이상 기체 법칙고3 촉매고3 충돌 이론고3 활성화 에너지고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

반응 속도식과 반응 차수고3

연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요

효소 반응 속도고3

같은 단원의 개념 — 반응 속도

균일·불균일 촉매고3 반감기고3 반응 메커니즘고3 반응 속도식과 반응 차수고3 아레니우스 식고3 촉매고3 충돌 이론고3 활성화 에너지고3

자주 묻는 질문

Q1반응 속도의 단위는 무엇인가요?

농도를 시간으로 나눈 것이므로 보통

mol/ (L \cdot s)

를 씁니다. 느린 반응은 초 대신 분이나 시간을 쓰기도 합니다. 뒤에 배울 속도 상수

k

의 단위는 반응 차수에 따라 달라지지만, 속도

v

자체의 단위는 언제나 이 형태입니다.

Q2농도를 2배로 하면 속도도 항상 2배가 되나요?

아닙니다. 2배가 될 수도, 4배가 될 수도, 아예 변하지 않을 수도 있습니다. 농도와 속도의 관계는 반응마다 다르고 실험으로만 알 수 있습니다 — 그것을 정리한 것이 반응 속도식과 반응 차수입니다.

Q3촉매를 넣으면 생성물이 더 많이 생기나요?

아닙니다. 촉매는 '얼마나 빨리 도착하는가'만 바꾸고 '어디에 도착하는가'는 바꾸지 않습니다. 최종 생성량이나 평형의 위치는 그대로이고, 다만 그 지점에 훨씬 빨리 도달합니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 화학 · 반응 속도 수록 기본 (교육과정 단원)

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

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속도가 농도에 정확히 어떻게 의존하는지는 실험으로만 알 수 있습니다. 반응 속도식과 반응 차수에서 그 관계를 식으로 쓰는 법을 보세요.

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