자발적인데 잘 일어나지 않는 반응의 이유는?

Question

안녕하세요. 열역학적으로 자발적인 반응이라면 자연스럽게 일어나야 할 것 같지만, 다이아몬드가 흑연으로 거의 변하지 않는 것처럼 실제로는 거의 진행되지 않는 경우도 있습니다. 이 현상을 자유에너지와 활성화에너지의 차이 관점에서 어떻게 설명할 수 있으며 이때 자발성과 반응 속도는 전혀 다른 개념일까요?

Answer 1

안녕하세요.

네, 자발성과 반응속도는 차이가 있는 개념입니다. 우선 열역학에서 어떤 반응이 자발적이라는 말은, 그 반응이 일어날 경향성이 있다는 뜻이지, 빠르게 혹은 눈에 띄게 진행된다는 뜻은 아닌데요 이때 자발성의 판단 기준이 바로 깁스 자유에너지 변화(ΔG)입니다. 말씀해주신 다이아몬드가 흑연으로 변하는 반응은, 상온, 대기압압에서 ΔG가 음수인데요 즉, 열역학적으로는 흑연이 더 안정한 상태이며, 다이아몬드는 준안정 상태에 해당합니다. 이 시점까지만 보면 자연스럽게 흑연으로 변해야 할 것 같다는 생각이 들 수도 있습니다. 하지만 실제 세계에서는 이 반응이 거의 관측되지 않는데요, 이를 설명하는 개념이 바로 활성화에너지입니다. 활성화에너지는 반응이 시작되기 위해 반드시 넘어야 하는 에너지 장벽인데요 이는 반응 전과 후의 에너지 차이(ΔG)와는 전혀 다른 개념입니다. 다이아몬드의 경우, 탄소 원자들이 3차원 공유결합 네트워크(sp³ 결합)를 이루고 있는데, 이를 흑연의 sp² 구조로 재배열하려면 매우 많은 공유결합을 동시에 끊고 다시 형성해야 합니다. 이 과정에 필요한 활성화에너지가 극도로 크기 때문에, 상온에서는 거의 어떤 분자도 그 장벽을 넘지 못하는 것입니다. 즉 정리하자면 자발성과 반응 속도는 전혀 다른 개념이며 자발성은 열역학의 문제로 반응이 일어날 수 있는 방향을 말하는 것이라면 반응 속도는 동역학의 문제로, 얼마나 빨리 일어나는가를 말하는 것입니다. 감사합니다.