[화학반응속도론] 반응 메커니즘 (Reaction mechanism)과 속도 결정 단계 (Rate Determining step)

반응 메커니즘은 최종 화학반응식이 어떠한 과정을 거쳐 나온 것인지 추론해가는 것에 의의를 두는 개념입니다. 반응 메커니즘을 통해 우리는 촉매가 무엇이고, 중간체가 무엇이였는지 파악할 수 있게 됩니다.  이뿐만 아니라 가장 중요한

'속도 결정 단계' 가 어느 단계 반응에서 보이는지 알 수 있게 됩니다.  그러면 개념설명 시작하겠습니다. 

 

1) 단일 단계 반응 : 화학반응식 하나를 단일 단계반응식이라고 합니다. 

 

2) 중간체 : 반응 메커니즘 상에서만 나타나는 물질입니다. 최종 화학반응식에서는 중간체가 나타나지 않습니다.

 

3) 속도 결정 단계 : 속도 결정 단계는 반응 메커니즘 상에 존재하는 여러 단일 단계 반응 (다단계 반응)들 중에서 가장 느린 평형을 이루는 단일 단계 반응을  '속도 결정 단계' 라고 부릅니다. 

 

4) 분자도 : 각각의 단일 단계 반응에서의  반응물의 개수를 의미합니다. 만약 반응물에 2O_2 가 있다면 이 단일 단계 반응은 2분자도입니다. 왜냐? 산소 분자가 2개 있다는 뜻이므로 반응물은 2개이기 때문입니다.

 

개념 자체는 어렵지 않으나  여기서 중요한 문제가 하나 나옵니다. 실제 2015 연세대 편입화학 기출에서도 주관식으로 출제되었던 유형입니다. 초기 단계에서 느린 평형을 갖는 메커니즘, 초기 단계에서 빠른 평형을 갖는 메커니즘 상에서의 속도 결정 단계를 찾고  반응속도 식을 구하는 문제입니다.  간단히 예제하나 풀면서 설명하겠습니다.

 위 반응 메커니즘에서 느린 단계반응이  초기가 아닌 나중에 있습니다. 그러면 빠른 평형을 하는 부분에서 우리는 정반응과 역반응이 적절히 일어난다고 봅시다.  1번 단계반응식에서의 정반응이 일어날 때  속도상수를 k1이라 하고

역반응이 일어날 때 속도상수를 k-1이라 합시다. 그러면 이렇게 볼 수 있겠습니다.

저게 이제 우리가 원하는 속도법칙이 됩니다.