화학반응

[김영해(성북석관)]

화학반응이란 무엇인가?

석탄, 석유 및 천연가스 등의 화석연료는 화학반응에 속하는 연소반응에 의하여 에너지를 만들므로 우리는 일반적인 화학반응을 이해할 필요가 있다. 화학반응은 어떤 물질들이 (반응물질) 다른 물질들로 (생성물질) 변화하는 과정이며 보통 에너지 변화가 수반된다. 화학반응에는 화합, 분해, 치환 그리고 복분해 반응이 포함된다. 화학반응은 주로 분자식으로 표시되지만 유기화합물들이 반응할 때는 시성식으로 표시하기도 한다.

화합반응은 물질들이 결합하여 새로운 물질이 만들어지는 것이다. 일반식은

aA + bB → AaBb

로 표시된다. 위 반응식에서 a, b는 반응에 참여하는 물질들의 비를 자연수로 나타낸 비이다. 화합반응의 예를 들면 탄소의 연소, 철이 녹스는 것, 금속 소듐(나트륨)이 염소기체와 반응하여 소금을 만드는 것 등이 있다.

탄소의 연소: C(s) + O2(g) → CO2(g)

철의 녹슴: 2Fe(s) + O2(g) → 2FeO(s)

소금의 생성: 2Na(s) + Cl2(g) → 2NaCl(s)

위 식에서 아래 첨자로 표시된 것은 물질의 상태를 표시한다. s는 solid 즉 고체, g는 gas 즉 기체 그리고 l은 liquid 즉 액체, ppt는 precipitate 즉 침전, 마지막으로 aq는 aqueous 즉 수용액을 표시한다.

분해반응은 화합반응과 반대로 한 물질이 둘 이상의 물질들로 나누어지는 것이다. 일반식으로 표시하면 다음과 같이 표시된다.

AaBb → aA + bB

예를 들면 물이나 용융된 소금이 전기에 의하여 분해되는 반응 등이 있다.

물의 전기분해: 2H2O( ) → 2H2(g) + O2(g)

용융된 소금의 전기분해: 2NaCl( ) → 2Na( ) + Cl2(g)

소금과 금속소듐 (나트륨)은 상온에서는 고체이지만 온도를 올리면 액체로 변한다. 소금의 녹는점은 801℃이며 금속 소듐 (나트륨)의 녹는점은 90℃이다.

치환반응은 물질의 일부가 다른 물질로 바뀌는 반응이다. 일반식은

AaBb + cC → AaCc + bB

이다. 치환반응으로는 철이나 아연 등의 금속이 염산에 녹는 반응이 대표적이다.

Fe(s) + 2HCl(aq) → FeCl2(aq) + H2(g)

Zn(s) + 2HCl(aq) → ZnCl2(aq) + H2(g)

이중치환반응은 다음 식으로 표시된다.

AaBb + CcDd → AaDd + BbCc

질산은과 소금이 반응하여 염화은침전과 질산소듐 (나트륨)을 만드는 반응이 복분해반응의 예이다.

AgNO3(aq) + NaCl(aq) → AgCl(ppt) + NaNO3(aq)

주위에서 볼 수 있는 화학반응 중에는 무엇이 있을까? 성냥개비를 성냥갑에 문지르면 발화한다. 성냥개비에는 산화제인 염소산칼륨 (KClO3)이 함유되어 있어 산소를 공급하며 성냥개비에 있는 황 (S)과 성냥갑에 있는 붉은 갈색의 인 (P)이 마찰되어 성냥개비에 불이 붙는다. 화석연료의 연소 역시 빨리 일어나는 산화-환원 반응이다. 설탕 (C12H22O11)에 뜨거운 진한 황산(H2SO4)을 넣으면 설탕이 검게 되는 것은 설탕에서 물이 진한 황산에 의해 분리되어 탄소가 생기기 때문이다. 곡물이나 과즙을 누룩과 효모와 함께 통속에 넣어 발효시키면 효소인 지마아제에 의해 포도당 (C6H12O6)이 분해되어 에탄올 (C2H5OH)이 생기면서 이산화탄소 (CO2)가 발생한다. 김치도 역시 유산균 등의 세균에 의한 발효에 의하여 만들어지며 발효될 때 많은 화학반응이 일어난다.

세탁과 표백에도 화학반응이 관여한다. 비누는 지방산의 소듐 (나트륨)염이고 중성세제는 석유에서 만들어지며 조성은 알킬벤젠슬폰산소듐 (ABS: sodium alkylbenzenesulfonate)이다. 옷이나 몸의 때는 주로 기름 또는 지방인데 물과는 섞이지 않지만 비누 또는 중성세제는 물에 녹는 친수기에 기름에 녹는 친유기를 둘 다 가지고 있으므로 기름을 떼어 내어 물에 녹일 수 있으므로 때가 제거된다.

표백제는 산화력이 강한 차아염소산칼슘, Ca(OCl)2의 강한 산화력을 이용하여 색을 제거한다. 염소산염의 명명은 다음 규칙에 의한다. 가장 많이 존재하는 ClO3-의 염은 염소산염 (염소의 산화수는 +5)이며 염소의 산화수가 +7인 ClO4-의 염은 과염소산염이며 산화수가 +3, +1이면 각각 아염소산염 (ClO2, 차아염소산염 (ClO-)이다. 차아염소산염 등의 산화표백제이외에도 환원표백제도 많이 사용된다.

중세 영국에서는 섬유를 표백하기 위하여 나무를 태워 숯을 만들 때 부산물로 생기는 잿물 (주성분은 염기성인 탄산칼륨. K2CO3)에 담가 알칼리성으로 한 다음 태양빛에 의해 표백을 하였다 .잘 알고 있듯이 영국은 고위도 (북위 50도 북쪽)에 위치하므로 태양빛이 약하여 표백을 제대로 하려면 수개월이 소요되었고 표백이 끝나면 남은 염기성을 없애기 위하여 우유를 발효해서 만든 유산을 사용해야 했는데 이 과정도 몇 주나 걸렸다고 한다. 그 후에 납으로 된 방 (연실)에서 산화질소를 촉매로 하여 황을 태워 만든 이산화황 (SO2)을 산화시켜 삼산화황 (SO3)을 제조한 후에 생성된 삼산화황을 물로 처리해 강한 산성을 가진 황산 (H2SO4)을 만들 수 있게 되자 표백 후 남은 염기를 중화하는 시간이 많이 단축되었다.

1774년 스웨덴의 화학자 C. W. 셸레 (1742～1786)가 염소를 발견한 후 1785년에 프랑스의 화학자 C. 베르톨레 (1748～1822)는 염소수용액이 표백력을 가진다는 것을 발견하고 섬유의 표백제로 사용하였지만 이것은 액체이므로 운반하기가 어려웠다. 이 문제는 1799년 영국의 기술자인 C. 테넌트 (1761~1815)가 염소를 소석회로 처리하여 가루로 만들어서 해결하였다. 새로이 만들어진 물질은 표백분 (차아염소산칼슘, Ca(OCl)2)으로 알려졌고 널리 사용됨에 따라 섬유의 표백이 아주 간단해져 가격이 저렴하게 되었으므로 면직물의 수요가 급증하자 대량생산이 필요하게 되어 산업혁명이 시작되었다고 한다. 또한 생명체에서 일어나는 광합성, 호흡, 소화 등도 일종의 화학반응이다.

화학반응이 자발적으로 일어나는 조건은 반응에서 생성물질들의 생성에 필요한 에너지의 총합 (엔트로피를 포함하여)이 반응물질들이 방출하는 에너지의 총합보다 작아야 한다. 모든 반응에는 에너지가 수반되는데 에너지가 방출되면 발열반응이라 하며 에너지가 흡수되면 흡열반응이라고 한다. 흡열반응을 일으키려면 외부에서 에너지를 공급해야 한다. 흡열반응의 예로는 생체 내에서 아미노산을 중합하여 단백질을 만드는 반응 등이 있으며 에너지는 호흡에서 얻어진 에너지를 ATP에 저장하여 공급한다. 발열반응은 에너지를 방출하며 방출된 에너지를 우리들이 난방, 공산품 생산 등에 이용한다.

연소는 대표적인 발열반응이지만 연료의 성질에 따라 연소가 용이할 수도 있고 아주 어려울 수도 있다. 이런 차이가 생기는 이유는 반응이 일어나려면 넘어야 할 에너지 장벽 (활성화 에너지)이 존재하고 있기 때문이다. 분자들이 반응하려면 일단 분자들 사이의 결합이 끊어져야 하며 또한 분자들이 많이 충돌해야 하고 분자들이 충돌할 때의 방향도 반응하기 쉽게 조정되어야 하는 것 등이 에너지 장벽의 원인이다. 이런 에너지 장벽을 극복하고 반응이 잘 일어나게 하려면 온도, 압력, 농도 등의 조건을 맞추어야 한다, 그리고 촉매를 사용하면 활성화 에너지가 낮은 경로로 반응이 진행되게 하므로 반응이 용이하게 일어날 수 있다.

분자는 끊임없이 있으며 운동하고 개개의 분자가 가진 운동에너지는 정규분포곡선에 따른다. 반응이 주어진 시간에 진행되는 정도를 반응속도라고 하는데 이 반응속도는 분자들이 충돌하는 회수, 활성화 에너지보다 더 큰 에너지를 가지는 분자들의 분율 (이것은 정규분포곡선에서 계산될 수 있음) 및 분자들의 충돌방향에 의하여 영향을 받는다. 일반적으로 충돌수를 높이려면 농도가 증가해야 하며 에너지 분율은 온도가 올라가면 증가한다. 따라서 높은 온도에서 농도가 크면 반응이 빨리 진행되지만 고려해야 할 것이 또 하나 있다. 그것은 일반적으로 반응은 가역적이므로 반응이 진행되어 생성물의 농도가 커지게 되면 반응이 역방향으로 진행되어 만들어진 생성물이 다시 원래의 반응물로 되돌아간다. 이것을 화학평형이라고 하며 보편적으로 겪는 어려운 문제이다. 반응을 우리가 원하는 방향으로 계속 진행되게 하려면 반응물질을 계속하여 서서히 첨가하거나 생성물을 반응계에서 제거하는 방법(주로 반응은 용액상태에서 진행되므로 생성물을 고체로 만드는 방법이 선호됨)을 사용하거나 또는 반응조건 (온도, 압력 등)을 변화시켜야 한다.

충돌이론

화학반응은 충분한 에너지와 적절한 지향을 가지는 충돌의 결과이다. 그러므로 화학반응의 속도는 이 같은 유효한 충돌이 일어나는 속도, 즉 반응공간 1 내에서 1초 동안에 일어나는 유효충돌의 횟수이다. 따라서 반응 속도는 세 가지 인자의 곱으로 나타낼 수 있다.이들 인자 중, 그 어느 것이 영향을 받으면 반응 속도가 영향을 받게 된다.

유효충돌의 횟수 = 총 충돌횟수 × 충분한 에너지를 가진 × 적절한 지향을 가진

(1 1초 동안) (1 1초 동안) 충돌의 분율 충돌의 분율

반응 속도 = 충돌빈도 × 에너지인자 × 확률인자 (지향인자)

충돌빈도는 다음의 조건에 의해서 좌우된다. (가) 입자들이 서로 얼마만큼 접근해서 위치하는 가, 즉 농도 또는 압력, (나) 입자의 크기, (다) 입자의 운동속도, 이는 다시 입자의 질량과 온도에 의존한다.

농도와 온도는 변화시킬 수 있으므로 반응 속도도 변화시킬 수 있다. 농도를 높이면 반응 속도가 증가하는 현상은 잘 알려져 있다. 물론 이것은 이렇게 함으로써 충돌빈도가 증대하기 때문이다. 온도의 상승은 충돌빈도를 증대시키며, 동시에 에너지인자도 증대시킨다. 에너지인자 증대의 효과가 아주 크기 때문에 상대적으로 충돌빈도에 대한 온도의 영향은 중요하지 않다. 입자의 크기와 무게는 각 반응에 고유한 것이기 때문에 변화시킬 수가 없다. 입자의 크기와 무게는 반응에 따라서 크게 다르지만 충돌빈도에는 크게 영향을 미치지 않는다. 입자가 무거울수록 일정온도에서 운동하는 속도가 감소하며, 따라서 충돌빈도는 감소된다. 그러나 입자가 무거우면 대개 그 크기도 큰 곳이 보통이며, 크기가 증대되면 충돌빈도도 중대되는 경향이 있다. 따라서 입자의 크기와 무게의 영향은 서로 상쇄되는 경향이 있다.

확률인자는 입자들의 기하학적인 배치와 일어나는 반응의 종류에 의존한다. 유사한 반응들의 경우에 이 인자는 크게 다르지 않다. 운동하고 있는 분자들의 운동에너지가 반응에 필요한 유일한 에너지원은 아니다. 예컨대, 분자내의 여러 가지 원자들의 진동으로부터도 에너지가 공급된다. 따라서 확률인자는 분자내의 어느 원자와 충돌하는가에 관계가 있을 뿐만 아니라, 충돌시의 분자 내에 있는 다른 원자들의 배치와도 관계가 있다.

반응 속도를 결정하는 가장 중요한 인자는 에너지인자이다. 즉, 이것은 충분한 에너지를 가지고서 충돌이 일어나는 분율이다. 이 인자는 우리들이 조절할 수 있는 온도와 각 반응에 고유한 활성화 에너지에 의존한다.

[정인식(부산)]

오랫만에 공부 좀 했습니다,고교시절이 생각도 납니다.