게시판 > 질답게시판 > 활성화 에너지에 대해서 질문 드립니다.

스테파노 Stefano

09-09-21 22:04

Q1. 표기상으로 여기서는 반응시 유효충돌에서 충돌 방향(예를들면 H2와 I2가 반응했을 경우에는 고려를
하는 점에서)을 고려해야 하는지.
=>A1: 절대온도가 0이 아닌 이상 분자들은 운동을 하게되며 분자들이 운동중에 서로 충돌해서 반응을 일으킬 수 있는가 그렇지 않은가는 유효충돌인지 그렇지 않은지로 판단해야 할 일이나 그 판단 기준은 어디까지나 통계적인 수치(예를 들어 "충돌방향 30도인 경우 반응을 일으킬 확률이 25%다")등으로 나타나는 것이지 유효-무효를 흑백논리처럼 가부를 판가름할 수는 없을 것입니다.

즉, 온도가 높아지면 분자운동이 활발해지고 이로인해 Mean Free Path의 길이가 짧아져 충돌빈도가 높아지고 분자의 운동에너지를 높여서 유효충돌(반응을 일으킬 수 있는 충분한 에너지를 나타내는 충돌)의 확률도 높인다고 봐야 할 것입니다. 따라서 같은 충돌각도라고 해도 분자의 운동에너지의 크기에 따라 유효충돌일 확률이 높아질 것이므로 "충돌각도" 뿐 만 아니라 각 분자가 지닌 "운동에너지"가 함께 고려된 것이 "유효충돌 확률"이라고 봐야 하겠지요.

Q2. 활성화 에너지가 0인 상태에서 정반응의 속도는 최대인지, 아니면 온도를 올렸을 경우에
정반응의 속도 상수가 더 커질 수 있는지,
=>A2. 활성화 에너지가 0이라는 의미는 분자들이 만나기만 해도 반응을 일으킬 수 있다는 뜻이 될 터인데 어쨋든 분자들이 만나야 반응을 일으킬 수 있으므로 온도를 상승시키는 것은 바로 충돌빈도를 높이게 되고 이로인해 충돌빈도에 직접 비례하여 반응속도가 증가될 것이므로 결국 온도상승은 정반응속도상수를 크게 한다는 의미가 됩니다.

Q3. 반응이 일어나는 관점에서 온도를 올렸을 경우 더 빠르게 일어나는 것인지.
=>A3. 앞선 설명에서와 같이 온도를 높이면 우선 ①분자운동이 빨라져 충돌빈도가 높아질 뿐만 아니라 ②충돌에너지도 증가하게 될 것이므로 유효충돌의 확률도 높아져 온도상승은 반드시 반응속도를 높이게 될 것이지요.

Q4. 속도상수와 활성화 에너지 사이의 관계에서 아레니우스 식이 활성화 에너지가 0인 상태에서 어느정도
정확성이 있는지, 또한 이들 사이에 관계를 표현한 식이 아레니우스 식 이외에 어떤 식이 있는지.
=>A4. 속도상수는 충돌빈도, 충돌에너지가 활성화에너지에 도달할 수 있는 확률에 비례하여 결정될 것이므로 아레니우스 식과 같은 수식이 될 것입니다 . (아레니우스 식의 유도 과정은 분자운동론에 바탕을 두고 충돌빈도와 활성화에너지 도달 확률을 바탕으로 한 것이라서 다른 수식을 만들었다고 해도 결국 아레니우스 식과 유사한 형태가 될 것이라는 것)

Q5. 이 반응에서 활성화 에너지가 0인데 반응 물질의 에너지가 0이어서 유효충돌을 할 수 없는 확률은
어느 정도나 되는지 에 대해 알고 싶습니다.
=> 반응물질의 에너지가 0이라는 의미는 분자의 운동에너지가 없는, 즉 절대온도0도에 있는 분자를 의미하는 것이라서 활성화에너지가 0이라는 의미와는 다릅니다. 절대온도에서는 반응을 일으킬 수 없고 분자들 뿐 만 아니라 원자들의 경우에도 고정격자에 머물면서 "꿈쩍도 하지 않는 상태"가 절대온도0도의 상태이므로 "반응"은 엄두도 못내는 상태입니다.

반면, "활성화 에너지가 0"이라는 의미는, 필자의 생각으로는, 아마도 "충돌하는대로 반응을 일으킨다"는 의미라든가, "(반응을 일으키기위한) 분자간의 전자의 거래(이동 혹은 교환)가 아주 자유스러워 전혀 저항을 받지 않는 경우 (즉 "초전도 물질"과 같은 상태)"에 해당하기 때문에 유효충돌이 아닐 확률은 0(모든 충돌은 반응을 일으킨다)이라고 봐야 할 것 같습니다.

질문에서 인용한 반응식의 경우 반응에 의해 발열되면 온도가 상승되고 분자운동이 활발해지면 더욱 더 급격히 반응을 일으켜 결국 (예를 들어 핵분열 반응 같은) 폭발적 반응으로 치달을 것으로 생각됩니다.

즉, 온도가 높아지면 분자운동이 활발해지고 이로인해 Mean Free Path의 길이가 짧아져 충돌빈도가 높아지고 분자의 운동에너지를 높여서 유효충돌(반응을 일으킬 수 있는 충분한 에너지를 나타내는 충돌)의 확률도 높인다고 봐야 할 것입니다.  따라서 같은 충돌각도라고 해도 분자의 운동에너지의 크기에 따라 유효충돌일 확률이 높아질 것이므로 "충돌각도" 뿐 만 아니라 각 분자가 지닌 "운동에너지"가 함께 고려된 것이 "유효충돌 확률"이라고 봐야 하겠지요.

Q2. 활성화 에너지가 0인 상태에서 정반응의 속도는 최대인지, 아니면 온도를 올렸을 경우에
    정반응의 속도 상수가 더 커질 수 있는지, 
=>A2.  활성화 에너지가 0이라는 의미는 분자들이 만나기만 해도 반응을 일으킬 수 있다는 뜻이 될 터인데 어쨋든 분자들이 만나야 반응을 일으킬 수 있으므로 온도를 상승시키는 것은 바로 충돌빈도를 높이게 되고 이로인해 충돌빈도에 직접 비례하여 반응속도가 증가될 것이므로 결국 온도상승은 정반응속도상수를 크게 한다는 의미가 됩니다.

Q3. 반응이 일어나는 관점에서 온도를 올렸을 경우 더 빠르게 일어나는 것인지. 
=>A3.  앞선 설명에서와 같이 온도를 높이면 우선 ①분자운동이 빨라져 충돌빈도가 높아질 뿐만 아니라 ②충돌에너지도 증가하게 될 것이므로 유효충돌의 확률도 높아져 온도상승은 반드시 반응속도를 높이게 될 것이지요.

Q4. 속도상수와 활성화 에너지 사이의 관계에서 아레니우스 식이 활성화 에너지가 0인 상태에서 어느정도
    정확성이 있는지, 또한 이들 사이에 관계를 표현한 식이 아레니우스 식 이외에 어떤 식이  있는지.
=>A4.  속도상수는 충돌빈도, 충돌에너지가 활성화에너지에 도달할 수 있는 확률에 비례하여 결정될 것이므로 아레니우스 식과 같은 수식이 될 것입니다 .  (아레니우스 식의 유도 과정은 분자운동론에 바탕을 두고 충돌빈도와 활성화에너지 도달 확률을 바탕으로 한 것이라서 다른 수식을 만들었다고 해도 결국 아레니우스 식과 유사한 형태가 될 것이라는 것)

Q5. 이 반응에서 활성화 에너지가 0인데 반응 물질의 에너지가 0이어서 유효충돌을 할 수 없는 확률은 
     어느 정도나 되는지 에 대해 알고 싶습니다. 
=> 반응물질의 에너지가 0이라는 의미는 분자의 운동에너지가 없는, 즉 절대온도0도에 있는 분자를 의미하는 것이라서  활성화에너지가 0이라는 의미와는 다릅니다.  절대온도에서는 반응을 일으킬 수 없고 분자들 뿐 만 아니라 원자들의 경우에도 고정격자에 머물면서 "꿈쩍도 하지 않는 상태"가 절대온도0도의 상태이므로 "반응"은 엄두도 못내는 상태입니다.

반면, "활성화 에너지가 0"이라는 의미는, 필자의 생각으로는, 아마도 "충돌하는대로 반응을 일으킨다"는 의미라든가, "(반응을 일으키기위한) 분자간의 전자의 거래(이동 혹은 교환)가 아주 자유스러워 전혀 저항을 받지 않는 경우 (즉 "초전도 물질"과 같은 상태)"에 해당하기 때문에 유효충돌이 아닐 확률은 0(모든 충돌은 반응을 일으킨다)이라고 봐야 할 것 같습니다.

질문에서 인용한 반응식의 경우 반응에 의해 발열되면 온도가 상승되고 분자운동이 활발해지면 더욱 더 급격히 반응을 일으켜 결국 (예를 들어 핵분열 반응 같은) 폭발적 반응으로 치달을 것으로 생각됩니다.