반응 속도의 온도 의존성

충돌 이론

원자, 분자 또는 이온은 서로 반응하기 전에 충돌해야합니다. 원자는 화학 결합을 형성하기 위해 가까이 있어야합니다. 이 전제는 반응 속도에 영향을 미치는 요인을 포함하여 화학 운동학에 관한 많은 관측을 설명하는 이론의 기초입니다.

충돌 이론은 (i) 반응 속도가 반응의 속도에 비례한다는 유언을 기반으로 하며, (ii) 반응종은 제품에서 결합되는 원자 간의 접촉을 허용하는 방향으로 충돌하며, (iii) 충돌은 반응종의 원자 껍질의 상호 침투를 허용하기 위해 적절한 에너지로 발생하므로 새로운 종(화학적 형태)을 재배열할 수 있다.

예를 들어, 일산화탄소와 산소 사이의 가스 상 반응에서 고온 및 압력에서 발생하는 첫 번째 단계는 두 분자 간의 충돌입니다.

그러나, 두 분자가 충돌하는 많은 다른 가능한 상대 방향이 있을 수 있었습니다. 따라서, 충돌 분자의 방향은 그들 사이에 발생하는 반응의 타당성을 부분적으로 결정하는 데 큰 의미가 있습니다.

일산화탄소 분자의 산소 면은 산소 분자와 충돌할 수 있습니다. 또 다른 예로, 일산화탄소 분자의 탄소 면은 산소 분자와 충돌할 수 있습니다. 두 번째 경우는 중앙 탄소 원자가 두 개의 산소 원자(O = C = O)로 결합되어 이산화탄소의 형성을 초래할 가능성이 더 높습니다.

그러나 충돌이 올바른 방향으로 이루어지더라도 반응이 이산화탄소를 형성하도록 진행한다는 보장은 제한적입니다. 이는 적절한 방향 외에도 제품 형성을 초래하기 위해 활성화 에너지라는 충분한 에너지로 충돌이 발생하기 때문입니다. 반응종이 올바른 방향과 충분한 활성화 에너지와 충돌할 때, 활성화된 복합체 또는 전이 상태라는 불안정한 종을 형성하기 위해 결합합니다. 이 종은 단명하고 일반적으로 대부분의 분석 기기에 의해 탐지할 수 없습니다. 경우에 따라 정교한 스펙트럼 측정은 전환 상태를 관찰할 수 있습니다.

충돌 이론은 온도가 증가함에 따라 대부분의 반응 속도가 증가하는 이유를 설명합니다. 온도가 증가함에 따라 충돌 빈도가 증가합니다. 충돌이 많을수록 충돌 에너지가 적절하다고 가정하면 반응 속도가 빨라집니다.

활성화 에너지

반응제 간의 충돌 시 제품을 형성하는 데 필요한 최소 에너지는 활성화에너지(E_a)라고합니다. 반응분자와 충돌하여 제공하는 활성화 에너지와 운동 에너지의 차이는 화학 반응의 속도에 영향을 미치는 주요 인자이다. 활성화 에너지가 분자의 평균 운동 에너지보다 훨씬 크면, 반응이 천천히 발생하며, 이는 빠르게 움직이는 분자가 몇 개뿐이므로 반응하기에 충분한 에너지를 갖게 될 것입니다. 활성화 에너지가 분자의 평균 운동 에너지보다 훨씬 작으면 분자의 큰 분수가 적절하게 활성화될 것이며 반응은 빠르게 진행됩니다.

반응 다이어그램은 화학 운동학에 널리 사용되어 관심 있는 반응의 다양한 특성을 보여줍니다. 그것은 화학 시스템의 에너지가 반응을 거치면서 어떻게 변화하고 반응물을 제품으로 변환하는지 보여줍니다.

예를 들어, 외설적인 반응에 대한 다음 반응 다이어그램을 고려하십시오: + B → C + D;

다이어그램은 왼쪽에서 오른쪽으로 볼 수 있습니다. 처음에 시스템은 반응체 (A + B)로만 구성됩니다. 충분한 에너지를 가진 반응성 분자가 충돌하면, 그들은 고에너지 활성화 복합체 또는 전이 상태를 형성한다. 불안정한 전환 상태는 이후에 안정적인 제품(C + D)을 산출하기 위해 부패합니다.

다이어그램은 반응의 활성화 에너지인 _Ea를반응자와 전이 상태 사이의 에너지 차이로 묘사합니다. 반응물질과 제품 간의 에너지 차이는 반응(ΔH)의엔탈피 변화에 해당한다. 이 경우, 반응은 시스템 엔탈피의 감소를 산출하기 때문에(ΔH & 0)입니다.

아레니우스 방정식

Arrhenius 방정식, k = E^{–Ea / RT는} 많은 화학 반응에 대한 활성화 에너지와 속도 상수, K를관한 것입니다.

이 방정식에서 R은 값 8.314 J/mol을 가지는 이상적인 가스 상수입니다. K, T는 켈빈의 온도이고, _Ea는 두더지당 줄의 활성화 에너지이며, e는 상수 2.7183이며, A는 충돌빈도 및 반응 분자의 방향과 관련된 주파수 인자라고 하는 상수이다. 아레니우스 방정식은 충돌 이론의 추정을 잘 수용합니다. 주파수 인자 A는반응 조건이 반응 분자 간의 올바르게 지향된 충돌을 얼마나 잘 선호하는지를 반영합니다. 효과적으로 지향되는 충돌의 확률이 높아짐에 따라 A값이 커지고 반응 속도가 빨라집니다.

기하급수적 용어인 ^e-Ea/RT는반응 속도에 대한 활성화 에너지의 효과를 설명합니다. 운동 분자 이론에 따르면, 물질의 온도는 그것의 성분 원자 또는 분자의 평균 운동 에너지의 측정입니다 – 낮은 활성화 에너지는 적당하게 활력분자의 더 중요한 분수및 더 빠른 반응의 결과.

기하급수적 용어는 또한 반응 속도에 온도의 영향을 설명합니다. 더 높은 온도는 활성화 장벽(E a)을 극복하기에 충분한에너지(RT)를가진 분자의 상이한 더 큰분획을나타낸다. 이렇게 하면 속도 상수 및 그에 상응하는 빠른 반응 속도에 대해 더 높은 값을 얻을 수 있습니다.

주어진 온도에서 두 개의 서로 다른 활성화 에너지를 초과하는 에너지를 가진 분자의 수와 두 개의 다른 온도에서 주어진 활성화 에너지를 보여주는 분자 에너지 분포.

이 텍스트는 Openstax, 화학 2e, 섹션 12.5: 충돌 이론에서 적용됩니다.