활성화 에너지

3. 활성화 에너지에 영향을 미치는 요인

활성화 에너지에 영향을 미치는 요인에는 온도가 있다. 온도가 높아지면 분자들의 운동 에너지가 커져서 활성화 에너지보다 큰 에너지를 갖는 분자 수가 많아지기 때문에 반응 속도가 빨라진다.

아레니우스 식은 활성화 에너지와 반응 속도의 관계를 수치로 나타낸 것이다. 이 식에서 활성화 에너지는 다음 식으로 구할 수 있다.

:$$k\; =\; A\; e^/\{(RT)\}\}$$

여기서 ''A''는 반응의 지수 전 인자, ''R''은 기체 상수, ''T''는 절대 온도(보통 켈빈 단위), ''k''는 반응 속도 상수이다. 온도가 변하면 반응 속도 상수가 달라지므로, 이를 통해 ''E''_a (활성화 에너지)를 계산할 수 있다.

하지만 아레니우스 식을 통해 얻은 활성화 에너지는 실험적으로 결정된 값으로, 실제 반응 메커니즘과는 차이가 있을 수 있다. 반응이 여러 단계로 일어나는 경우, 각 단계의 활성화 에너지를 평균한 값은 큰 의미가 없을 수 있다. 또한, 반응 속도는 분자들의 충돌 각도, 운동 에너지 등 다양한 요인에 영향을 받으므로, 아레니우스 식만으로는 반응 속도를 정확히 예측하기 어렵다.

3. 1. 촉매

3. 1. 1. 효소

4. 활성화 에너지와 깁스 자유 에너지

전이 상태 이론에서는 반응 속도를 설명하기 위해 활성화 깁스 자유 에너지(ΔG‡) 개념을 사용한다. 활성화 깁스 자유 에너지는 엔탈피(ΔH‡) 변화와 엔트로피(ΔS‡) 변화를 모두 고려한다.^[11][12]

아이링 식은 활성화 깁스 자유 에너지와 반응 속도 상수 사이의 관계를 나타낸다.

:

여기서 ''k''_B는 볼츠만 상수, ''h''는 플랑크 상수이다.

활성화 깁스 자유 에너지는 다음과 같이 엔탈피와 엔트로피로 나타낼 수 있다.

:

아레니우스 식의 활성화 에너지(''E''_a)와 아이링 식의 활성화 엔탈피(Δ''H''^‡)는 다음과 같은 근사적인 관계를 가진다.

:

대부분의 반응에서 일반적인 온도에서 ''T''Δ''S''^‡와 ''RT'' 항의 크기가 상대적으로 작기 때문에, ''E''_a, Δ''G''^‡ 및 Δ''H''^‡는 종종 혼동되어 "활성화 에너지"라고 불린다.^[13][14]

하지만, 반응의 총 자유 에너지 변화는 활성화 에너지와는 관계가 없다. 활성화 에너지는 반응의 자발적 과정 여부와 관련이 없으며, 전체 반응 에너지 변화는 활성화 에너지에 의해 바뀌지 않는다.

5. 음의 활성화 에너지

일부 반응에서는 온도가 증가함에 따라 반응 속도가 감소하는 경우가 있다. 이러한 반응의 속도 상수를 아레니우스 식에 맞춰보면, 활성화 에너지(*E*_a)가 음의 값을 갖는 것으로 나타난다.

음의 활성화 에너지는 장벽이 없는 반응이나 다단계 반응에서 주로 나타난다. 장벽이 없는 반응의 경우, 온도가 증가하면 충돌하는 분자들이 서로를 포획할 확률이 감소하여 반응 속도가 감소한다. 다단계 반응의 경우, 특정 단계의 평형 상수가 온도에 따라 감소하는 정도가 다른 단계의 속도 상수가 증가하는 정도보다 커서 전체 반응 속도가 감소할 수 있다.

5. 1. 음의 활성화 에너지를 가지는 반응의 예

6. 활성화 에너지의 응용

활성화 에너지는 화학 반응뿐만 아니라 핵반응^[4] 및 기타 다양한 물리적 현상에도 적용된다.^[5][6][7]

암모니아 합성은 수소와 질소가 반응하는 과정에서 매우 높은 활성화 에너지를 필요로 한다. 이 때문에 독일의 화학자 프리츠 하버가 인공적인 암모니아 합성법을 개발하기 전까지, 자연 상태에서 수소와 질소가 반응하여 암모니아가 생성되는 경우는 대부분 생물이나 번개에 의해서만 일어났다.^[23]

흑연과 다이아몬드는 모두 탄소로 이루어져 있지만, 흑연이 다이아몬드로 전환되는 반응은 활성화 에너지가 매우 높기 때문에 상온에서는 거의 일어나지 않는다.^[23]

6. 1. 실생활 관련 예시

6. 2. 핵반응

6. 3. 기타 물리적 현상

참조

_[1] 웹사이트 Activation Energy https://web.archive.[...] 2017-01-13
_[2] 서적 Chemical Kinetics and Reaction Mechanisms McGraw-Hill 1995
_[3] 웹사이트 Activation Energy and the Arrhenius Equation – Introductory Chemistry- 1st Canadian Edition https://web.archive.[...] 2018-04-05
_[4] Course Energy in a Modern Society: XIV. Nuclear energy https://www.asc.ohio[...] Ohio State University 2021-10-15
_[5] 논문 Estimate of the Activation Energies for Boundary Diffusion from Rate-Controlled Sintering of Pure Alumina, and Alumina Doped with Zirconia or Titania
_[6] 논문 Temperature Dependence of the Raman Frequency, Damping Constant and the Activation Energy of a Soft-Optic Mode in Ferroelectric Barium Titanate
_[7] 논문 Effect of catalytically active Ce 0.8 Gd 0.2 O 1.9 coating on the heterogeneous combustion of methane within MgO stabilized ZrO 2 porous ceramics
_[8] 웹사이트 General Chemistry Online: FAQ: Chemical change: What are some examples of reactions that involve catalysts? http://antoine.frost[...] 2017-01-13
_[9] 웹사이트 The Arrhenius Law: Activation Energies https://chem.librete[...] UC Davis 2017-02-17
_[10] 서적 Biochemistry - Ninth Edition WH Freeman and Company
_[11] 웹사이트 Enthalpy of activation http://goldbook.iupa[...] IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) 2020-05-10
_[12] 서적 Chemical Kinetics and Dynamics Prentice Hall 1999
_[13] 서적 Atkins' Physical Chemistry https://archive.org/[...] W.H.Freeman 2006
_[14] 서적 Physical Chemistry Benjamin/Cummings 1982
_[15] 논문 Negative activation energies and curved Arrhenius plots. 1. Theory of reactions over potential wells
_[16] 서적 Chemical kinetics and reaction mechanisms McGraw-Hill 1981
_[17] 서적 Atkins' Physical Chemistry W. H. Freeman 2006
_[18] 웹사이트 3.2.2: Pre-equilibrium Approximation https://chem.librete[...] 2022-01-23
_[19] 서적 Kinetics and mechanism John Wiley and Sons 1981
_[20] 서적 Physical Chemistry Pearson. Benjamin-Cummings. 2006
_[21] 서적 Polymers: Chemistry and Physics of Modern Materials Blackie (USA: Chapman & Hall+)
_[22] 서적 옥스토비의 일반화학 6판 사이플러스
_[23] 서적 옥스토비의 일반화학 6판 사이플러스