촉매와 반응 속도

핵심 정리

화학 반응의 속도는 반응이 진행되는 빠르기를 나타내며, 촉매는 그 속도를 조절하는 물질이다. 촉매는 반응물과 생성물 사이에 다른 반응 경로를 제공하여 활성화 에너지를 낮춘다. 촉매를 넣으면 활성화 에너지가 낮아져 반응 속도가 빨라진다. 활성화 에너지는 반응이 일어나기 위해 넘어야 하는 에너지 장벽으로, 온도가 같다면 이 값이 낮을수록 반응 속도가 빨라진다.

촉매는 정반응뿐 아니라 역반응에도 작용한다. 따라서 촉매가 있을 때 정반응과 역반응의 활성화 에너지는 모두 낮아지지만, 반응물과 생성물 사이의 에너지 차이는 달라지지 않는다. 반응 엔탈피는 촉매의 유무에 따라 변하지 않는다. 즉, 촉매는 반응이 진행되는 경로와 속도에 영향을 주지만 반응물과 생성물의 에너지 차이를 바꾸지는 않는다. 촉매: 활성화 에너지 감소

정촉매와 부촉매는 촉매가 반응 속도에 미치는 효과가 서로 반대인 물질이다. 정촉매는 활성화 에너지를 낮추어 반응 속도를 빠르게 하고, 정촉매를 넣었을 때 정반응의 활성화 에너지는 촉매가 없을 때보다 작다. 반면 부촉매는 활성화 에너지를 높여 반응 속도를 느리게 한다. 부촉매: 활성화 에너지 증가

촉매를 반응에 필요한 시간을 정하는 물질로 보아서는 안 된다. 촉매는 반응 시간 자체가 아니라 반응 속도를 조절한다. 문항에서는 반응 경로, 활성화 에너지, 반응 엔탈피, 속도의 관계를 구분해 읽는 것이 중요하다.

자세히

반응물에서 생성물이 만들어지려면 반응이 진행되는 동안 에너지 장벽을 넘어야 한다. 반응물이 생성물로 바뀌는 데 필요한 최소한의 에너지와 관련된 이 장벽을 활성화 에너지라고 한다. 반응물과 생성물의 에너지 차이는 반응 자체의 에너지 변화와 관련되며, 활성화 에너지와는 서로 다른 양이다. 반응 경로를 따라 에너지가 어떻게 변하는지를 그린 그림에서는 반응물에서 출발해 가장 높은 지점까지 올라가는 데 필요한 에너지 차이가 활성화 에너지다. 반응물과 생성물의 에너지 수준 사이의 차이는 반응 엔탈피에 해당한다. 따라서 그래프를 읽을 때 봉우리 높이의 변화와 양 끝점의 높이 차이를 혼동하지 않아야 한다. 반응 엔탈피: 촉매로 불변

촉매가 없을 때 반응물은 기존 반응 경로를 따라 생성물로 변한다. 촉매를 넣으면 반응물에서 생성물로 가는 다른 경로가 제공되며, 이 경로의 활성화 에너지는 촉매가 없을 때보다 낮다. 같은 온도에서 활성화 에너지가 낮아지면 반응이 진행되기 쉬워져 반응 속도가 증가한다. 촉매는 반응 경로를 바꾸어 활성화 에너지를 낮추고 반응 속도를 조절한다. 이때 촉매는 반응물과 생성물의 에너지 준위 자체를 옮기는 것이 아니다. 변화하는 것은 반응이 지나가는 경로의 에너지 장벽이며, 반응물과 생성물 사이의 에너지 차이는 유지된다. 그러므로 에너지 그래프에서 촉매가 있는 경우에는 활성화 에너지에 해당하는 장벽을 낮게 나타내되, 반응물과 생성물의 상대적인 에너지 차이는 촉매가 없는 경우와 같게 나타낸다.

정촉매와 부촉매를 비교할 때는 이름이나 ‘촉매’라는 말에만 기대지 말고, 활성화 에너지의 변화 방향부터 확인한다. 정촉매는 경로를 통해 장벽을 낮추므로 반응을 빠르게 한다. 반대로 부촉매는 활성화 에너지를 높여 반응 속도를 느리게 한다. 부촉매는 정촉매와 반대 방향으로 속도에 영향을 주는 물질이다. 부촉매가 활성화 에너지를 높여 반응 속도를 느리게 한다는 관계는 반복해서 출제되므로, 정촉매의 효과를 부촉매에 그대로 적용하지 않도록 한다. 특히 선택지에서 부촉매를 넣었는데 활성화 에너지가 낮아진다고 제시하면, 그 진술은 부촉매의 효과를 정촉매와 뒤바꾼 것이다.

정촉매를 넣었을 때 정반응의 활성화 에너지는 촉매가 없을 때보다 작다. 촉매가 활성화 에너지를 낮춘다는 말은 반응이 한쪽 방향으로만 빨라진다는 뜻이 아니다. 촉매는 정반응과 역반응의 활성화 에너지를 모두 낮춘다. 따라서 정반응의 속도만 빨라지고 역반응은 영향을 받지 않는다고 해석하면 안 된다. 촉매는 정반응과 역반응 모두가 더 빠르게 진행되도록 하며, 반응이 평형에 이르는 속도를 높인다. 그러나 반응 엔탈피는 변하지 않는다. 촉매의 작용을 설명할 때는 속도 변화와 에너지 차이의 변화를 분리해야 한다. 속도가 달라진다는 사실만으로 반응 엔탈피가 달라졌다고 결론 내릴 수 없다.