(00) 질문할 때 질문배경을 보다 자세히 설명하고 스스로 해보던 중 어려움을 겪는 부분, 이해되지 않는 부분을 중점적으로 질문하는 것이 좋겠습니다.
(0) Reactioin Kinetics
Reaction Kinetics는 공정변수(온도, 농도, 압력)들이 반응속도에 어떤 영향을 미치는가를 분석하는 것입니다. 소화(Digestion), 발효(Fermentation) 등의 경우에도 일반 화학반응에서의 반응속도 분석하는 방법과 같은 방법이 사용될 것입니다.
(1) 반응속도를 나타내는 수식
반응속도에 영향을 주는 요소들에는 온도, 압력, 농도가 있습니다. 이를 수식으로 나타내면 다음과 같습니다.
반응속도 = f (온도, 압력, 농도).................(1)
반응속도를 나타내는 방법은 주로 일정한 반응기 부피내에서 단위시간에 생성되는 물질의 량으로 나타내지만 경우에 따라서는 반응에 의해 소모되는 물질의 양으로 나타내기도 합니다. 이중 편리한 방법을 취하면 됩니다.
반응이 일어나는 상(Phase)가 균일한 경우에는 고체 표면적이나 기상의 압력에 영향을 받지 않지만 반응물이 고체의 표면에서 일어난다거나 기상에 있는 반응물질이 고상이나 액상에 흡착 또는 용해되어 반응이 일어나는 경우에는 고체의 표면적이나 기상의 압력이 반응속도에 크게 영향을 미치게 되므로 이들 변수도 반응속도수식에 함께 고려되어야 할 것입니다.
만일 반응에 의해 생성되는 물질의 농도가 높아지면 역방향의 반응속도도 높아져 일정 전환율에 도달하면 더이상 반응이 진행되지 않는 경우에는 반응물질의 농도 뿐만 아니라 생성물지질의 농도가 반응속도에 크게 영향을 미치게 됩니다.
(2) 반응속도 분석방법
반응속도에 영향을 주는 요소를 분석하기 위해서는 여러 공정변수들을 모두 고정하고 어느 한 변수만을 변동시켜가면서 반응속도에 어떤 영향을 주는가를 그래프나 수식으로 나타내는 방법을 사용합니다. 만일 나머지 공정변수들은 모두 일정한 상수값으로 유지하면서 공정변수1만을 변경시켜가면서 반응속도를 측정한다면 다음과 같은 수식이 얻어질 것입니다.
반응속도 = f (공정변수 1).............(2)
위 (2)식은 반응속도는 공정변수1만의 함수라는 의미인데 나머지 변수는 영향을 받지 않는다는 의미가 아니고 나머지 변수는 모두 일정한 것으로 고정해 두고 공정변수1만을 변경해 가변서 반응속도가 어떻게 변화되는가를 수식으로 나타냈다는 것이 됩니다 .
예를들어서 반응물의 온도, 압력 등을 모두 일정하게 유지하고 반응물질의 농도만은 변경해 가면서 반응이 진행되는 속도를 측정하면 반응물질의 농도가 반응속도에 어떤 영향을 주고 있는가? 그리고 그 농도에 비례하는가 농도의 제곱에 비례하는가? 혹은 예를 들어 농도의 1.2승에 비례하는가를 알 수 있습니다.
반응물 A가 반응에 의해 생성물 B로 되는 경우 간단히 다음의 반응이 진행된다고 보고
A --------------> B...............................(3)
반응속도가 농도 C 의 n차승에 비례하는 경우 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있습니다.
반응속도 = 반응기 용량당, 단위시간당, 생성물 B가 생성되는 속도
= 상수 * (반응물 A의 농도, C)^n
r = K * C^n.....................................(4)
r=반응속도 = 단위시간당 단위반응기 부피당 B가 생성되는 속도, (g-mole B)/(Reactor Unit Volume)/(Time)
K=반응속도상수, 단위는 (4)식으로부터 알아냄.
C=반응물 A의 농도
n=반응속도 찻수
위 반응에서 n값을 찾으려면 양변을 대수값을 취함으로써 구할 수 있습니다.
ln r = ln K + n ln C ..........................(5)
----> n = (ln r - ln K)/(ln C)
위의 (4)식을 그래프로 나타낸다면 n값을 찾기는 어렵지만 (5)식과 같이 고쳐놓고 반응실험에 의해 농도와 반응속도와의 관계를 얻은 다음 직교좌표 그래프에 가로축에 ln C, 세로축에 ln r값을 그려넣으면
직선이 얻어지고 기울기 n, 절편 ln K 값을 구할 수 있습니다.
이와 같은 방법으로 공정변수를 변경해 가면서 반응속도식을 구하면
반응혹도 = k (공정변수1)^n* (공정변수2)^m *.... 등과 비슷한 수식을 얻을 수 있습니다.
물론 반응속도식을 구하기 전에 반응이 진행되는 메카니즘에 따라서 반응수식의 형태가 달라집니다.
대체로 이미 많은 Reaction Kinetics 연구에 의해 여러가지 반응수식 모델이 알려져 있기 때문에 반응실험을 통하여 얻어진 데이터를 반응메카니즘에 대하여 비슷한 모델 수식을 적용하여 반응속도수식과 반응속도 상수를 구해낼 수 있습니다.
이렇게 해서 구해진 반응속도식 모델이 취급하고 있는 반응계에 잘 맞아들어간다면 그 모델 수식은 "쓸만한 수식"이라고 간주될 수 있습니다.
(3) 쓸만한 반응 속도수식 모델
화학반응이나 효소반응이나 발효반응 등은 때에 따라서는 여러 단계를 거쳐 일어나는 경우가 많고 평형반응인 경우도 있고 반응도중에 생성되는 중간생성물은 또다른 생성물을 만들기도 하기 때문에 Reaction Kinetics Model은 아주 아주 복잡해 질 수 있습니다 .
아무리 잘 들어맞는 수식이 있더라도 사용하기 어렵거나 복잡하다면 쓸모가 없는 것이고
오차가 어느정도 있다고 해도 사용에 편리하고 사용상 무리가 없다면 그 모델 수식은 "쓸만한 반응속도 모델수식"이 됩니다 .
(4) Reaction Kinetics 참고싸이트
반응속도에 관해서는 모든 것을 이곳에서 모두 논할 수 없습니다. 마침 전세계적으로 가장 유명하고 아주 친절하고 사세히 설명되어 있는 인터넷 사이트를 아래에 소개하므로 자세한 사항은 이곳 싸이트를 참고하시고 이해되지 않는 부분이 있다면 중점적으로 질문해 주시기 바랍니다 .
