반응공학 - 화학반응공학

1. 화학반응의 분류

1) 균일계 : 단일상에서만 반응이 일어나는 경우

 

2) 불균일계 : 두 상 이상에서 반응이 진행되는 경우

 

3) 균일계와 불균일계의 분류가 불분명한 반응의 경우

 ① 효소 - 기질반응과 같은 생물학적 반응의 경우

 ② 연소하는 기체화염과 같이 화학반응속도가 급격히 빠른 경우

 

	비촉매	촉매
균일계	대부분 기상반응	대부분 액상반응
불균일계	불꽃연소반응과 같은 빠른 반응	- 콜로이드상에서의 반응 - 효소와 미생물의 반응
	- 석탄의 연소 - 광석의 배소 - 산 + 고체의 반응 - 기액 흡수 - 철광석의 환원	- NH3 합성 - 암모니아 산화 -> 질산 제조 - 원유의 크래킹 - 이산화황의 산화

 

 

2. 화학반응속도식

- 반응시간의 변화에 따라 반응물의 농도는 감소하고 생성물의 농도는 증가하는 현상을 이용하여 반응속도를 설명할 수 있다. A -> B 와 같은 화학반응이 있다고 가정하면 생성물 B의 생성속도는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

 

생성물 B의 생성속도

 

만약 반응계 내의 용적(V)이 시간에 따라 변화하지 않는다고 하면 C=n/V 가 되고 다음과 같이 농도의 변화와 시간의 변화 함수로 나타낼 수 있다.

 

화학반응속도식

 

 

 

 

3. 온도에 의한 반응속도

 - 일반적으로 화학반응시에 온도가 상승하면 분자운동이 증가되어 에너지가 활성화되면서 반응 분자 간 충돌에너지를 증가시켜 반응속도가 빨라진다. 하지만 복잡한 화학반응의 경우에는 온도가 증가하더라도 반응속도가 반드시 증가하지는 않다.

 

1) 아레니우스 식(Arrhenius equation)

 

아레니우스 식(Arrhenius equation)

아레니우스 식은 반응속도상수의 온도 의존성을 나타낸다. 아레니우스 식 양변에 자연로그 함수를 취해 정리하면 다음과 같다. 

 

 

 

이 식을 통해서 Ea(활성화에너지)가 작고 T(절대온도)가 클 때 속도상수 k 값이 커지는 것을 알 수 있다. 또한, 이 식을 통해 다음과 같은 특징을 알 수 있다.

 

① T가 높아지면 lnk 도 높아진다.

 

② 높은 온도보다 낮은 온도에 더 예민하다.

 

③ 기울기(-Ea/R)가 가파를수록 Ea(활성화에너지)가 크다.

 

④ Ea가 클수록 k는 작아져서 반응속도가 느리다. (Ea가 작을수록 k는 커져서 반응속도가 빠르다.)

 

⑤ 저온일수록 k의 변화가 크다.

 

 

2) 아레니우스 변형 식

 - 아레니우스 식을 변형하면 한 온도에서 k 값을 알 때 다른온도에서 k 값을 구할 수 있다.

 

(1) 번식에서 (2) 번식을 빼면 다음과 같은 식을 만들 수 있다.

 

위 식을 이용하면 한 온도에서의 k 값을 알 때 다른온도의 k 값을 구할 수 있다.