반응 속도 — 잘게 부수면 왜 빨리 탈까

캠프파이어에서 굵은 장작에 불을 붙이려면 한참 걸립니다. 그런데 같은 나무를 톱밥으로 만들면 불꽃이 닿자마자 확 타오릅니다. 밀가루 공장이나 탄광에서 공기 중에 떠다니는 가루가 폭발하는 사고도 같은 이유입니다. 나무가 바뀐 것이 아닌데 타는 빠르기는 왜 다를까요. 답은 반응 속도를 정하는 규칙에 있습니다.

반응은 입자가 부딪쳐야 일어납니다

화학 반응은 반응물 입자가 서로 부딪쳐야 일어납니다. 떨어져 있는 입자끼리는 결합을 끊고 새로 만들 수 없습니다. 그런데 부딪친다고 다 반응하는 것도 아닙니다. 반응이 일어나려면 충돌할 때의 에너지가 어느 문턱을 넘어야 하고, 부딪치는 방향도 맞아야 합니다. 이 문턱을 활성화 에너지라고 하고, 문턱을 넘는 충돌을 유효 충돌이라고 합니다.

반응 속도는 단위 시간에 일어나는 유효 충돌의 수입니다. 그러니 반응을 빠르게 하는 길은 둘뿐입니다. 충돌 자체를 잦게 하거나, 충돌 가운데 문턱을 넘는 비율을 높이거나. 농도와 표면적은 앞의 길이고, 온도와 촉매는 뒤의 길입니다.

농도와 표면적 — 부딪칠 기회를 늘립니다

용액의 농도를 높이면 같은 부피 안에 입자가 더 많아 더 자주 부딪칩니다. 묽은 염산보다 진한 염산에 넣은 마그네슘 조각에서 기포가 더 세차게 나오는 까닭입니다. 기체 반응에서는 압력을 높이는 것이 농도를 높이는 것과 같습니다. 부피가 줄어 입자가 빽빽해지기 때문입니다.

고체는 사정이 다릅니다. 고체 반응물은 표면에서만 반응합니다. 덩어리 속의 입자는 다른 반응물과 만날 수 없습니다. 그래서 고체를 잘게 부수면 반응할 수 있는 자리가 늘어납니다. 한 변이 2 cm 인 정육면체의 겉넓이는 24 cm² 인데, 이것을 한 변이 1 cm 인 정육면체 여덟 개로 나누면 겉넓이의 합은 48 cm² 가 됩니다. 양은 그대로인데 반응할 자리가 두 배입니다. 톱밥이 장작보다 빨리 타고, 가루약이 알약보다 빨리 녹는 것이 이것입니다.

온도와 촉매 — 문턱을 넘는 비율을 높입니다

온도를 높이면 입자가 빠르게 움직여 더 자주 부딪칩니다. 그러나 더 큰 효과는 다른 데 있습니다. 활성화 에너지를 넘을 만큼 큰 에너지를 가진 입자의 비율이 크게 늘어납니다. 그래서 온도가 조금만 올라도 반응 속도는 눈에 띄게 빨라집니다. 음식을 냉장고에 넣는 것은 상하게 하는 반응의 속도를 늦추는 일입니다.

촉매는 반응의 길을 바꿉니다. 활성화 에너지가 더 낮은 새 경로를 열어 주어, 같은 온도에서도 문턱을 넘는 충돌이 많아집니다. 촉매 자신은 반응 전후에 변하지 않고 양도 줄지 않습니다. 과산화수소수에 이산화 망가니즈를 넣으면 산소 기포가 갑자기 세차게 나오지만 이산화 망가니즈는 그대로 남습니다. 우리 몸의 효소도 촉매입니다.

그래프를 보면 이 모두가 한 가지로 읽힙니다. 조건을 바꾼 반응은 처음 기울기가 가파르고 일찍 평평해집니다. 기울기가 반응 속도입니다. 시간이 갈수록 기울기가 완만해지는 것은 반응물이 줄어 충돌이 뜸해지기 때문입니다. 그런데 두 곡선이 닿는 최종 높이는 같습니다. 생성물의 양은 반응물의 양이 정하지, 빠르기가 정하지 않습니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 반응 속도를 빠르게 하는 조건. 농도 증가 · 압력(기체) 증가 · 표면적 증가 · 온도 증가 · 촉매 사용. 네 가지를 "충돌 횟수" 와 "유효 충돌의 비율" 로 나누어 까닭을 묻습니다.
• 시간–기체 부피 그래프. 기울기가 반응 속도이고, 가파를수록 빠릅니다. 곡선이 평평해지는 때가 반응이 끝난 때입니다.
• 두 조건의 그래프 비교. 반응물의 양이 같으면 최종 부피는 같고 처음 기울기와 끝나는 시간만 다릅니다. 반응물의 양이 다르면 최종 부피도 다릅니다.
• 마그네슘 조각과 염산, 탄산 칼슘과 염산 실험. 발생한 기체의 부피를 재거나, 기체가 빠져나간 만큼 줄어드는 용기의 질량을 잽니다.
• 촉매의 성질. 반응 속도는 바꾸지만 자신은 소모되지 않고, 생성물의 양도 바꾸지 않습니다.
• 온도를 높일 때의 주된 까닭. 충돌 횟수보다 활성화 에너지 이상의 에너지를 가진 입자의 비율이 커지는 것입니다.

자주 헷갈리는 것

• "잘게 부수면 반응물이 늘어난다" — 양은 그대로입니다. 늘어나는 것은 겉넓이, 곧 반응할 수 있는 자리입니다.
• "촉매를 넣으면 생성물이 더 많이 생긴다" — 양은 같습니다. 같은 양이 더 빨리 생길 뿐입니다.
• "온도가 오르면 충돌이 잦아져서 빨라진다" — 그것도 맞지만 주된 까닭이 아닙니다. 활성화 에너지를 넘는 입자의 비율이 커지는 것이 더 큽니다.
• "반응 속도는 처음부터 끝까지 일정하다" — 반응물이 줄어들수록 느려집니다. 그래서 그래프는 직선이 아니라 점점 눕는 곡선입니다.

정리합니다. 반응은 입자가 활성화 에너지를 넘을 만큼 세게, 알맞은 방향으로 부딪쳐야 일어납니다. 농도와 표면적은 충돌 자체를 잦게 하고, 온도와 촉매는 문턱을 넘는 충돌의 비율을 높입니다. 조건을 바꾸면 그래프의 기울기는 달라지지만, 반응물의 양이 같으면 최종 생성물의 양은 같습니다.