반응속도는 온도가 10℃ 오르면 왜 두 배 가까이 빨라질까요?
안녕하세요.
화학을 공부하다보면 온도 10도씨 상승마다 화학반응이 두배씩 빨라진다고 하는데요. 이런게 가능한 원리가 궁금합니다.
안녕하세요.
화학 반응은 반응 물질들이 서로 충돌할 때 일정한 최소한의 에너지인 활성화 에너지(Eₐ)를 넘어야 반응이 일어나는데요 이때분자들이 가진 에너지는 일정하지 않고, 온도에 따라 변하는 맥스웰-볼츠만 분포를 따릅니다.
온도가 낮을 때는 대부분의 분자가 활성화 에너지보다 낮은 에너지를 가지므로 반응이 잘 일어나지 않습니다. 그러나 온도가 10℃ 정도 상승하면, 평균 운동 에너지가 커지고 동시에 활성화 에너지를 넘는 분자의 비율이 기하급수적으로 증가하게 되며 전체 분자 중 반응에 참여할 수 있는 충분히 빠른 분자의 수가 크게 늘어나 반응 속도가 급격히 증가하는 것입니다.
실험적으로는 대부분의 반응이 10℃ 오를 때마다 속도가 약 1.5배에서 2배 정도 증가하는 것으로 관찰됩니다. 다만 이것은 절대적인 법칙이 아니라 활성화 에너지의 크기에 따라 달라지는 경향인데요 예를 들어, 활성화 에너지가 큰 반응일수록 온도 변화에 훨씬 더 민감하게 속도가 변하고, 반대로 활성화 에너지가 작은 반응은 온도가 바뀌어도 속도 변화가 크지 않습니다.
즉 온도가 올라가면 분자의 평균 운동 에너지가 커지고, 그에 따라 활성화 에너지를 넘는 분자의 수가 지수적으로 증가하기 때문에 반응 속도가 급격히 빨라지는 것이며 이로 인해 실험적으로는 10℃ 상승 시 반응속도 약 두 배 증가라는 경험 법칙이 널리 사용되는 것입니다. 감사합니다.
안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.
결론부터 말씀드리면 아레니우스 원리 때문에 그렇습니다.
정확하게 두배가 올라가는 것은 아니기에 경험에 따라 그렇게 판단을 하고 있습니다.
반응이 일어나기 위해서는 활성화에너지 이상의 에너지가 필요합니다. 아레니우스식이 이 활성화 에너지를 반응속도, 온도에 따라 정리한 식이기 때문입니다.
반응속도는 충돌빈도가 증가할 수록, 온도가 증가할 수록 반응속도가 빨라진다는 식인데 온도가 10도만 올라가도 반응속도가 엄청나게 빨라지는데 두배로 지정할 수 없는 것은 활성화 에너지의 크기에 따라 반응속도가 달라지기 때문입니다.
그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다~! 더 궁금한게 있으시면 언제든지 문의 주십시요:)