안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
다단계 화학 반응에서 속도 결정 단계가 전체 반응 속도를 지배하는 이유는 이 단계가 전체 반응 경로 중 활성화 에너지 장벽이 가장 높아 흐름을 막는 병목 역할을 하기 때문입니다. 후속 단계의 속도가 아무리 빠르더라도, 반응물 분자들이 가장 높은 에너지 장벽을 넘어서지 못하면 생성물로 전환될 수 없으므로 전체 반응 속도는 가장 느린 속도 결정 단계의 속도에 의해 제약받습니다.
이러한 메커니즘으로 인해 전체 반응의 속도 식 또한 속도 결정 단계를 바탕으로 유도됩니다. 단일 기본 단계의 속도는 해당 단계에 직접 참여하는 반응물 농도의 곱에 비례하므로, 속도 결정 단계의 속도 식이 전체 반응 속도 식의 기본 골격이 됩니다. 이때 속도 결정 단계 이후 단계에 참여하는 물질은 농도를 아무리 높이더라도 전체 속도를 변화시키지 못하므로 속도 식에서 제외됩니다. 만약 속독 결정 단계에 불안정한 중간체가 참여한다면, 속독 결정 단계 이전의 가역적 사전 평형 상태를 이용해 중간체 농도를 측정 가능한 초기 반응물의 농도로 대체하여 유도합니다. 결과적으로 전체 반응 속도 식에는 속도 결정 단계와 그 이전 단계에 참여하는 화학종의 농도만 반영되며, 가장 느린 단 하나의 단계가 전체 반응의 속도론적 특성을 지배하게 됩니다.