반응성

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1. 개요
2. 반응성의 다양한 관점
- 2.1. 열역학적 요인
- 2.2. 속도론적 요인
3. 반응성의 원인
- 3.1. 원자 궤도와 전자 배치
- 3.2. 예시: 수소와 탄소
4. 반응 속도와 속도 법칙
- 4.1. 속도 법칙
- 4.2. 반응 차수
5. 안정성과의 관계
참조

1. 개요

반응성은 화학에서 물질이 화학 반응을 일으키는 경향을 나타내는 개념으로, 열역학적 요인과 반응 속도와 관련된 속도론적 요인을 모두 포함한다. 반응성은 물질의 물리적 특성, 불순물, 결정 형태, 그리고 원자 하위 속성에 의해 조절되며, '물질 X는 반응성이 크다'와 같은 표현으로 나타낸다. 반응 속도와 속도 법칙은 반응성을 설명하는 데 중요한 요소이며, 활성화 변형 모델을 통해 반응물의 강성도와 전자 구조, 반응 장벽 사이의 관계를 설명할 수 있다. 또한, 반응성은 안정성과는 구분되는 개념이다.

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에너지 준위는 양자 역학적 계에서 입자가 가질 수 있는 특정 에너지 값으로, 원자 내 전자의 양자화된 에너지 상태를 나타내며 분자에서는 전자, 진동, 회전 에너지 준위가 존재하고, 에너지 준위 간 전이는 광자의 흡수 또는 방출을 수반한다.
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반응성
반응성 (화학)
정의	물질이 화학 반응을 겪는 경향
설명
영향 요인	원자의 전자 배치 분자의 구조 물리적 요인 (온도, 압력, 촉매 존재 여부 등)
반응 종류	치환 반응 첨가 반응 제거 반응 산화 환원 반응 고리형 반응
반응 속도	반응이 얼마나 빨리 일어나는지 나타냄
활성화 에너지	반응이 시작되는 데 필요한 에너지
열역학적 안정성	물질이 얼마나 쉽게 반응하는지 예측하는 데 사용
응용
화학 산업	새로운 물질 합성, 기존 물질 변환
생화학	생체 분자의 반응 이해, 신약 개발
환경 과학	오염 물질 제거, 환경 친화적인 공정 개발
재료 과학	새로운 재료 개발, 기존 재료의 성능 향상

2. 반응성의 다양한 관점

화학에서 '''반응성'''은 다소 모호한 개념이다. 이는 물질이 반응하는지 여부와 반응 속도라는 열역학적 요인과 속도론적 요인을 모두 포함한다.^[1] 알칼리 금속(Na, K 등)의 반응성은 주기율표에서 아래로 갈수록 증가한다고 흔히 주장되며, 수소의 반응성은 산소와의 반응으로 입증된다.^[1]

반응 속도로 제한하면 더 일관된 관점을 얻을 수 있다. 이때 반응성은 화학 물질이 시간에 따라 화학 반응을 일으키는 경향을 의미한다.^[1] 순수한 화합물에서 반응성은 시료의 물리적 특성에 의해 조절된다. 예를 들어 시료를 분쇄하여 비표면적을 높이면 반응성이 증가한다. 그러나 모든 경우에 반응성은 주로 화합물의 원자 하위 속성에 기인한다.^[1]

"물질 X는 반응성이 크다"라는 진술은 일반적이지만, 각 물질은 자체 시약 집합과 반응한다.^[1]

안정성은 반응성과 혼동해서는 안 된다. 예를 들어 산소 분자의 전자적으로 들뜬 상태에 있는 고립된 분자는 통계적으로 정의된 기간 후에 자발적으로 빛을 방출한다. 이러한 종의 반감기는 안정성의 또 다른 징후이지만, 반응성은 다른 종과의 반응을 통해서만 확인할 수 있다.

2. 1. 열역학적 요인

''반응성''은 화학에서 다소 모호한 개념이다. 이는 물질이 반응하는지 여부와 반응 속도라는 열역학적 요인과 속도론적 요인을 모두 포함하는 것으로 보인다. 두 요인은 실제로 구별되며, 둘 다 일반적으로 온도에 따라 달라진다. 예를 들어, 알칼리 금속(Na, K 등)의 반응성은 주기율표에서 아래로 갈수록 증가한다고 흔히 주장되거나, 수소의 반응성은 산소와의 반응으로 입증된다고 주장된다.^[1] 사실, 알칼리 금속의 반응 속도(예를 들어 물과의 반응으로 입증됨)는 그룹 내 위치뿐만 아니라 입자 크기의 함수이기도 하다.^[1] 수소는 평형 상수가 매우 크더라도 불꽃이 폭발을 일으키는 라디칼 반응을 시작하지 않는 한 산소와 반응하지 않는다.^[1]

2. 2. 속도론적 요인

''반응성''은 화학 물질이 시간에 따라 화학 반응을 일으키는 경향이 있는 반응 속도를 의미한다. 순수한 화학 화합물에서 반응성은 시료의 물리적 특성에 의해 조절된다. 예를 들어, 시료를 분쇄하여 비표면적을 높이면 반응성이 증가한다. 불순한 화합물의 경우, 반응성은 오염 물질의 포함에 의해서도 영향을 받는다. 결정질 화합물의 경우, 결정 형태 또한 반응성에 영향을 미칠 수 있다. 그러나 모든 경우에 반응성은 주로 화합물의 원자 하위 속성에 기인한다.

"물질 X는 반응성이 크다"라는 진술을 하는 것이 일반적이지만, 각 물질은 자체 시약 집합과 반응한다. 예를 들어, "나트륨 금속은 반응성이 크다"라는 진술은 나트륨이 실온에서 또는 분젠 버너를 사용하여 순수한 산소, 염소, 염산, 물을 포함한 많은 일반적인 시약과 반응한다는 것을 의미한다.

3. 반응성의 원인

물질의 반응 여부를 나타내는 "반응성"은 원자가 결합 이론과 원자 및 분자 궤도 함수 이론을 사용하여 원자 및 분자 수준에서 설명할 수 있다.

주어진 반응의 속도는 속도 법칙에 의해 결정된다.

: $\text{속도}=k\cdot [\ce A]$

여기서 반응 속도는 반응의 속도 결정 단계(가장 느린 단계)에서 1초당 몰 농도의 변화이다. [A]는 모든 반응물의 몰 농도를 올바른 차수(반응 차수)로 거듭제곱한 곱이며, ''k''는 주어진 상황(일반적으로 온도 및 압력)에서 일정하고 농도와 무관한 반응 상수이다. 화합물의 반응성은 ''k'' 값과 속도 모두에 정비례한다. 예를 들어,

:A + B -> C + D인 경우,

: $\text{속도}=k\cdot[\ce A]^n \cdot[\ce B]^m$

여기서 n은 A의 반응 차수, m은 B의 반응 차수, n + m은 전체 반응의 반응 차수이고, k는 반응 상수이다.

3. 1. 원자 궤도와 전자 배치

화학 반응은 생성물이 반응물보다 낮은 자유 에너지를 가지기 때문에 발생한다. 낮은 에너지 상태를 "더 안정적인 상태"라고 한다. 양자 화학은 이러한 일이 발생하는 이유에 대한 가장 심층적이고 정확한 이해를 제공한다. 일반적으로, 전자는 특정 상황에 대한 슈뢰딩거 방정식을 풀어 얻은 궤도 함수에 존재한다.

모든 것(''n'' 및 ''m''_l 양자수)이 같을 때, 시스템에서 전자의 안정성 순서는 다음과 같다.

# 쌍을 이루지 않고, 유사한 궤도에 다른 전자가 없는 경우

# 쌍을 이루지 않고, 모든 축퇴 궤도가 반 채워진 경우

# (그리고 가장 안정적인 것은) 채워진 궤도 집합이다.

이러한 안정성 순서 중 하나를 달성하기 위해, 원자는 다른 원자와 반응하여 둘 다를 안정화시킨다. 예를 들어, 고립된 수소 원자는 1s 궤도에 단일 전자를 가지고 있다. H₂를 형성하기 위해 반응할 때 훨씬 더 안정해진다(최대 100Kcal/mol, 또는 420kJ/mol).

이와 같은 이유로 탄소는 거의 항상 4개의 결합을 형성한다. 탄소의 바닥 상태 원자가 배치는 2s² 2p²로, 반 채워져 있다. 그러나 반 채워진 p 궤도에서 완전히 채워진 p 궤도로 이동하는 데 필요한 활성화 에너지는 무시할 수 있으며, 따라서 탄소는 거의 즉시 p 궤도를 형성한다. 한편, 이 과정은 상당한 양의 에너지(발열)를 방출한다. 이 4개의 동일한 결합 배치를 sp³ 혼성화라고 한다.

위의 내용은 특히 원자와 같은 일부 일반적인 종의 반응을 합리화한다. 위에서 언급한 내용을 일반화하는 한 가지 방법은 반응물의 강성도와 전자 구조, 그리고 반응 장벽의 높이 사이의 인과 관계를 제공하는 활성화 변형 모델이다.^[1]^[2]^[3]

3. 2. 예시: 수소와 탄소

''반응성''의 두 번째 의미(물질이 반응하는지 여부)는 원자 및 분자 수준에서 설명할 수 있다. 오래된 원자가 결합 이론과 현대의 원자 및 분자 궤도 함수 이론이 사용된다. 화학 반응은 열역학적으로 생성물이 반응물보다 낮은 자유 에너지를 가질 때 발생한다. 즉, 낮은 에너지 상태가 "더 안정적인 상태"이다. 양자 화학은 이러한 현상에 대한 가장 심층적이고 정확한 이해를 제공한다. 전자는 일반적으로 특정 상황에 대한 슈뢰딩거 방정식을 풀어 얻은 궤도 함수에 존재한다.

시스템에서 전자의 안정성 순서는 다음과 같다(모든 ''n'' 및 ''m''_l 양자수가 같을 때).

쌍을 이루지 않고, 유사한 궤도에 다른 전자가 없는 경우
쌍을 이루지 않고, 모든 축퇴 궤도가 반 채워진 경우
(가장 안정적인 것은) 채워진 궤도 집합

이러한 안정성을 얻기 위해 원자는 다른 원자와 반응한다. 예를 들어, 고립된 수소 원자는 1s 궤도에 단일 전자를 갖는다. 수소 원자는 H₂를 형성하기 위해 반응할 때 훨씬 더 안정해진다(최대 100kcal/mol 또는 420kJ/mol).

탄소가 거의 항상 4개의 결합을 형성하는 것도 같은 이유이다. 탄소의 바닥 상태 원자가 배치는 2s² 2p²로, 반 채워져 있다. 그러나 반 채워진 p 궤도에서 완전히 채워진 p 궤도로 이동하는 데 필요한 활성화 에너지는 매우 작아 탄소는 거의 즉시 p 궤도를 형성한다. 이 과정은 상당한 양의 에너지(발열)를 방출한다. 이 4개의 동일한 결합 배치를 sp³ 혼성화라고 한다.

위의 내용은 일반적인 종, 특히 원자의 반응을 설명한다. 활성화 변형 모델은 반응물의 강성도와 전자 구조, 반응 장벽의 높이 사이의 관계를 설명한다.^[1]^[2]^[3]

4. 반응 속도와 속도 법칙

화학에서 ''반응성''은 화학 물질이 시간에 따라 화학 반응을 일으키는 경향이 있는 반응 속도를 의미한다. 순수한 화학 화합물에서 반응성은 시료의 물리적 특성에 의해 조절된다. 예를 들어, 시료를 분쇄하여 비표면적을 높이면 반응성이 증가한다. 불순한 화합물의 경우, 반응성은 오염 물질의 포함에 의해서도 영향을 받는다. 결정질 화합물의 경우, 결정 형태 또한 반응성에 영향을 미칠 수 있다. 그러나 모든 경우에 반응성은 주로 화합물의 원자 하위 속성에 기인한다.

"물질 X는 반응성이 크다"라는 진술은 일반적이지만, 각 물질은 자체 시약 집합과 반응한다. 예를 들어, "나트륨 금속은 반응성이 크다"라는 진술은 나트륨이 실온에서 또는 분젠 버너를 사용하여 순수한 산소, 염소, 염산, 물을 포함한 많은 일반적인 시약과 반응한다는 것을 의미한다.

안정성은 반응성과 혼동해서는 안 된다. 예를 들어, 산소 분자의 전자적으로 들뜬 상태에 있는 고립된 분자는 통계적으로 정의된 기간 후에 자발적으로 빛을 방출한다. 이러한 종의 반감기는 안정성의 또 다른 징후이지만, 반응성은 다른 종과의 반응을 통해서만 확인할 수 있다.^[1]^[2]^[3]

4. 1. 속도 법칙

주어진 반응의 속도는 속도 법칙에 의해 지배된다.

:

\text{속도}=k\cdot [\ce A]

여기서 반응 속도는 반응의 속도 결정 단계(가장 느린 단계)에서 1초당 몰 농도의 변화이고, [A]는 모든 반응물의 몰 농도를 올바른 차수(반응 차수라고 함)로 거듭제곱한 곱이며, ''k''는 주어진 일련의 상황(일반적으로 온도 및 압력)에 대해 일정하고 농도와 무관한 반응 상수이다. 화합물의 반응성은 ''k'' 값과 속도 모두에 정비례한다. 예를 들어,

:A + B -> C + D인 경우,

:

\text{속도}=k\cdot[\ce A]^n \cdot[\ce B]^m

여기서 ''n''은 A의 반응 차수, ''m''은 B의 반응 차수, ''n + m''은 전체 반응의 반응 차수이고, ''k''는 반응 상수이다.

4. 2. 반응 차수

화학 반응은 생성물이 반응물보다 낮은 자유 에너지를 가지기 때문에 열역학적으로 발생한다. 낮은 에너지 상태를 "더 안정적인 상태"라고 한다. 양자 화학은 이러한 일이 발생하는 이유에 대한 가장 심층적이고 정확한 이해를 제공한다. 일반적으로 전자는 특정 상황에 대한 슈뢰딩거 방정식을 풀어 얻은 궤도 함수에 존재한다.

모든 것(''n'' 및 ''m''_l 양자수)이 같을 때, 시스템에서 전자의 안정성 순서는 다음과 같다.

# 쌍을 이루지 않고, 유사한 궤도에 다른 전자가 없는 경우

# 쌍을 이루지 않고, 모든 축퇴 궤도가 반 채워진 경우

# (가장 안정적인 것은) 채워진 궤도 집합

이러한 안정성 순서 중 하나를 달성하기 위해, 원자는 다른 원자와 반응하여 둘 다를 안정화시킨다. 예를 들어, 고립된 수소 원자는 1s 궤도에 단일 전자를 가지고 있다. H₂를 형성하기 위해 반응할 때 훨씬 더 안정해진다(최대 100Kcal/몰, 또는 420KJ/몰).

이와 같은 이유로 탄소는 거의 항상 4개의 결합을 형성한다. 탄소의 바닥 상태 원자가 배치는 2s² 2p²로, 반 채워져 있다. 그러나 반 채워진 p 궤도에서 완전히 채워진 p 궤도로 이동하는 데 필요한 활성화 에너지는 무시할 수 있으며, 따라서 탄소는 거의 즉시 p 궤도를 형성한다. 한편, 이 과정은 상당한 양의 에너지(발열)를 방출한다. 이 4개의 동일한 결합 배치를 sp³ 혼성화라고 한다.

위의 내용은 일부 일반적인 종의 반응을 합리화한다. 이를 일반화하는 한 가지 방법은 반응물의 강성도와 전자 구조, 반응 장벽의 높이 사이의 인과 관계를 제공하는 활성화 변형 모델이다.^[1]^[2]^[3]

주어진 반응의 속도는 속도 법칙에 의해 지배된다.

:

\text{속도}=k\cdot [\ce A]

여기서 반응 속도는 반응의 속도 결정 단계(가장 느린 단계)에서 1초당 몰 농도의 변화이고, 는 모든 반응물의 몰 농도를 올바른 차수(반응 차수라고 함)로 거듭제곱한 곱이며, ''''는 주어진 일련의 상황(일반적으로 온도 및 압력)에 대해 일정하고 농도와 무관한 반응 상수이다. 화합물의 반응성은 '''' 값과 속도 모두에 정비례한다. 예를 들어,

:A + B -> C + D인 경우,

:

\text{속도}=k\cdot[\ce A]^n \cdot[\ce B]^m

여기서 은 의 반응 차수, 은 의 반응 차수, 은 전체 반응의 반응 차수이고, 는 반응 상수이다.

5. 안정성과의 관계

''반응성''은 화학에서 다소 모호한 개념이다. 이는 열역학적 요인과 속도론적 요인(즉, 물질이 반응하는지 여부와 반응 속도)을 모두 포함하는 것으로 보인다. 두 요인은 실제로 구별되며, 둘 다 일반적으로 온도에 따라 달라진다. 예를 들어, 알칼리 금속(Na, K 등)의 반응성은 주기율표에서 아래로 갈수록 증가한다고 흔히 주장되거나, 수소의 반응성은 산소와의 반응으로 입증된다고 주장된다. 사실, 알칼리 금속의 반응 속도(예를 들어 물과의 반응으로 입증됨)는 그룹 내 위치뿐만 아니라 입자 크기의 함수이기도 하다. 수소는 평형 상수가 매우 크더라도 불꽃이 폭발을 일으키는 라디칼 반응을 시작하지 않는 한 산소와 반응하지 않는다.

안정성이라는 개념은 반응성과 혼동해서는 안 된다. 예를 들어, 산소 분자의 전자적으로 들뜬 상태에 있는 고립된 분자는 통계적으로 정의된 기간 후에 자발적으로 빛을 방출한다. 이러한 종의 반감기는 안정성의 또 다른 징후이지만, 반응성은 다른 종과의 반응을 통해서만 확인할 수 있다.

참조

_[1] 논문 The activation strain model and molecular orbital theory 2015-07-01
_[2] 논문 Understanding reactivity with Kohn–Sham molecular orbital theory: E2–SN2 mechanistic spectrum and other concepts http://onlinelibrary[...] 1999-01-15
_[3] 논문 Distortion/Interaction Energy Control of 1,3-Dipolar Cycloaddition Reactivity 2007-08-09

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