반응공학 - 속도법칙

1. 반응의 종류

1) 균일 불균일 반응

① 균일반응 : 단 하나의 상을 수반하는 반응

② 불균일반응 : 2개 이상의 상을 수반하며 일반적으로 상 사이의 계면에서 반응일 일어나는 반응

 

2) 가역 비가역 반응

① 가역반응 : 정반응, 역반응이 동시에 진행되는 반응

② 비가역반응 : 한 방향으로만 진행하는 반응

 

3) 기초 비기초 반응

① 기초반응(Elementary Reaction) : 반응차수가 양론적인 반응

② 비기초반응 : 비양론적인 반응 (실험식에 의해 속도식의 차수가 결정됨)

 

4) 단일 복합 반응

① 단일반응 : 단일의 반응속도식

② 복합반응 : 연속반응, 평행반응, 연속평행반응 등 

 

 

 

 

2. 반응속도

 

aA +bB    →  cC + dD

 

위와 같은 반응식이 주어졌을 때 화학반응속도는 다음과 같다.

 

반응속도 식

 

 

 

 

 

 

3. 반응속도와 속도법칙

 

aA +bB    →  cC + dD

 

이 반응식에서 -rA 는 A의 소멸속도를 말한다. A의 소멸속도는 온도와 조성에 따라 변하며 식으로 나타내면 다음과 같다.

 

 

이때 반응차수는 α 와 β값을 더한 값이며 이 반응이 기초반응이라면 a + b를 더한 값이 된다.

 

반응차수 =  α + β  (만약 기초반응 이라면 반응차수 = a + b)

 

 

 

1) 반응속도상수

 

속도상수 K의 단위는 반응속도식의 단위에 따라 달라진다. 

 

 

위 식에서 속도상수 K에 대해 정리하면 속도상수 K는 다음과 같은 값을 얻는다.

 

K = [농도]1-n × [시간]-1

 

 

속도상수는 차수 n값에 따라 달라지며 0 ~ 3 차까지의 값은 아래 표와 같이 나타낼 수 있다.

 

차수	속도식	K의 단위
0차 (n=0)		[mol/L*s]
1차 (n=1)		[1/s]
2차 (n=2)		[L/mol*s]
3차 (n=3)		[L2/mol2*s]

 

 

2) 기초반응의 표현

 

A + 2B → 3C 

 

위와 같은 기초반응식이 있다고 가정하면 A와 B, C에 대한 반응속도식을 다음과 같이 나타낼 수 있다.

 

 

여기서 -rA에 대한 반응속도 식 -rA = (-rB/2) = (rC/3) 과 같이 쓸 수 있으므로 속도상수 또한 -kA = (-kB/2) = (kC/3) 과 같이 쓸 수 있다.

 

 

cf. 기초반응의 분자도

 : 반응에 관여하는 분자의 수를 말하며 값은 주로 1, 2 값이다. ( 반응물만의 몰수에 관계되는 값)

 

 

 

 

 

4. 비기초 반응의 표현 

비기초 반응은 화학양론과 속도 사이에 아무런 상관관계가 없을 때의 반응을 말한다. 예를 들면 중간체가 있는 반응, 자유라디칼 반응 등이 있다.

1) 효소 촉매 발효반응

 

A → R

 

이 반응은 다음과 같은 식으로 반응이 일어난다.

 

A + 효소 ↔ (A º효소)*

(A º효소)* → R + 효소

 

 

반응식을 표현하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.

 

효소 촉매 발효 반응식

 

- A의 농도가 높을 때는 Ca에 무관하며 0차 반응에 가까워 진다. 

- A의 농도가 낮을 때는 반응속도와 Ca는 비례관계를 갖게 된다.

- 그 외의 경우에는 효소 농도인 Eo에 비례하게 된다.

 

 

2) PSSH(유사 정상상태 가설)

- 이 가설은 반응 중간체가 형성되는 만큼 빠르게 반응하기 때문에 활성중간체(A*) 형성의 알짜 생성속도는 0의 값을 갖는다는 것이다. (rA* = 0)