자유 에너지가 음수라서 자발적 반응이 일어난다고 하지만 반응 속도가 매우 느려 사실상 진행되지 않는 경우는 왜 발생하나요?

Question

안녕하세요. 화학 반응은 자유 에너지가 음수값이면 자발적인 반응이 진행된다고 알고 있습니다. 자유 에너지가 음수라서 자발적 반응이 일어난다고 하지만 반응 속도가 매우 느려 사실상 진행되지 않는 경우는 왜 발생하나요?

Answer 1

안녕하세요. 질문주신 것과 같이 화학 반응에서 자유 에너지(ΔG)가 음수이면 반응이 자발적이다라는 사실은 열역학적 관점에서 반응의 최종 상태가 안정한 방향으로 변화 가능함을 의미하는 것이며, 이는 반응 속도와는 별개의 문제입니다.

우선 ΔG < 0는 반응이 열역학적으로 유리하며, 평형 상태에서는 생성물이 반응물보다 더 안정하다는 것을 의미하는 것은 맞습니다. 하지만 ΔG < 0는 반응이 빠르게 일어난다는 것을 보장하지 않는데요 즉, 자발적이라는 것은 최종적으로 진행 가능하다는 것이며 빠르다는 것은 반응 속도와는 관계 없습니다. 대부분의 화학 반응은 반응물 → 생성물로 바로 넘어가지 않고, 전이 상태를 거쳐야 하는데요, 활성화 에너지(Ea)는 반응물이 전이 상태에 도달하기 위해 극복해야 하는 에너지 장벽입니다. 이때 ΔG가 음수여서 반응이 자발적이라고 하더라도 Ea가 매우 높으면 대부분의 분자가 전이 상태에 도달하지 못해 반응 속도가 극도로 느려질 수 있는 것입니다. 감사합니다.