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반응물의 표면적이 넓어지면 반응 속도가 빨라지는 이유는 무엇인가요?
안녕하세요~ 화학 반응에서 반응 속도에 영향을 주는 요인 중에 하나가 반응물의 표면적이라고 하네요.
반응물의 표면적이 넓어지면 반응 속도가 빨라지는 이유는 무엇인가요?
3개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
화학 반응은 기본적으로 반응물 입자들이 서로 충돌하여 에너지를 교환하고, 그 충돌이 충분히 큰 에너지를 가질 때 새로운 결합이 형성되면서 일어납니다. 특히 고체 반응물의 경우, 반응은 고체의 내부가 아니라 표면에서만 진행됩니다. 따라서 고체가 덩어리 형태일 때는 외부와 접촉하는 면적이 제한적이어서 충돌할 수 있는 기회가 적습니다. 반면, 같은 물질을 잘게 부수어 가루로 만들면 표면적이 크게 증가하여 더 많은 입자가 외부와 접촉할 수 있게 됩니다. 그 결과 충돌 횟수가 늘어나고, 활성화 에너지 이상을 가진 충돌이 발생할 확률도 높아져 반응 속도가 빨라집니다.
예를 들어, 마그네슘 덩어리를 염산에 넣으면 천천히 기포가 발생하지만, 마그네슘 가루를 넣으면 격렬하게 반응하면서 빠르게 수소 기체가 발생합니다. 이는 표면적이 넓어져 반응할 수 있는 입자가 많아졌기 때문입니다. 같은 원리로 숯 덩어리는 천천히 타지만 숯 가루는 순간적으로 불이 붙어 빠르게 연소합니다.
즉, 표면적이 넓어질수록 반응 입자들이 더 많이 충돌할 수 있어 반응 속도가 빨라진다는 것이 핵심입니다.
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채택된 답변안녕하세요. 정철 박사입니다.
표면적이 넓어진다는 의미는 그만큼 반응할수 있는 작용기가 많이 노출된다는 뜻입니다. 한개의 반응기만 노출된물질과 여러개가 노출된 물질의 차이를 생각하서면 됩니다
안녕하세요.
말씀해주신 것처럼 화학반응이 진행될 때 반응물의 표면적이 넓을 수록 반응속도가 빨라지는 이유는 분자 충돌 이론과 관련이 있습니다. 화학 반응이란 기본적으로 반응물들 간에 서로 충돌해야 일어날 수 있는데요, 그렇다고 해서 모든 충돌이 반응으로 이어지는 것은 아니고, 활성화 에너지와 올바른 방향성을 가진 유효 충돌만이 실제 반응을 일으킬 수 있습니다. 따라서 반응 속도는 얼마나 많은 유효 충돌이 단위 시간에 일어나는가로 결정된다고 보시면 됩니다.
이때 고체 반응물의 경우를 생각해 보면 반응은 고체 내부에서가 아니라 표면에서만 일어나는데요, 예를 들어 덩어리 상태의 금속이나 고체 시약은 내부 원자들이 외부 물질과 직접 접촉할 수 없기 때문에 반응에 참여하지 못하고, 오직 표면에 노출된 입자들만 반응에 참여합니다. 따라서 같은 질량의 물질이라도 큰 덩어리 1개일 경우 표면적이 작아서 반응 가능한 입자 수가 적지만, 반대로 잘게 부순 가루 상태인 경우에는 표면적이 크기 때문에 반응 가능한 입자 수가 많아집니다. 즉 표면적이 넓어지면 접촉 가능한 반응 부위가 증가하기 때문에 외부 반응물과 만날 수 있는 표면의 입자 수가 증가하여 최종적으로 반응에 참여 가능한 활성 자리가 많아지는 것입니다. 또한 표면에 노출된 입자가 많아질수록, 다른 반응물과 충돌할 기회 자체가 증가합니다. 이때 충돌 횟수가 증가하면 그 중 일부는 조건을 만족하는 유효 충돌이 되므로, 전체 반응 속도가 증가할 수 있습니다. 결과적으로, 표면적이 넓어질수록 단위 시간당 유효 충돌 수가 증가하기 때문에 전체 반응 속도가 증가하는 것입니다. 감사합니다.