화학반응(chemical reaction)

물질 그 자체가 화학변화를 일으키거나, 또는 다른 물질과의 상호작용으로 화학변화를 일으키는 현상. 화학반응에 있어서는 분자를 이루는 원자들의 재배치가 일어나며 화학결합이 일부 파괴되고 또한 일부 생성된다.


이때 반응하는 물질을 반응물질(reactant)이라 하고, 반응에 의해 생긴 물질을 생성물질(reaction product)이라 한다.


인류는 선사시대(先史時代)부터 제련(製鍊)·주조(鑄造) 등 여러 가지 화학반응을 이용해 왔으며, 값싼 금속에서 금을 만들려는 중세 연금술사(鍊金術師)들의 노력으로부터 화학반응의 기초를 이루는 지식을 축적하여 과학으로서의 화학으로 발전시켜 왔다.


인공적인 화학 반응은 주로 의약품·플라스틱 등 유용한 물질의 합성과 연소에 의해 에너지를 얻는 데 사용되며, 생체 내에서 일어나는 여러 가지 반응, 가령 포도당의 산화(酸化), 단백질의 합성 등은 생명체를 유지시키는 기능을 다한다.


① 화학량론(化學量論) : 화학반응의 정량적인 처리는 질량보존(質量保存)의 법칙과 원자론에 토대를 두는 화학량론에서 출발한다.


가령, 탄소가 연소하여 이산화탄소가 되는 반응에 있어서 탄소 12g이 산소 32g과 반응하여 44g의 이산화탄소를 생성하게 된다.





 


이와 같은 반응식에서 반응 전후의 질량은 변하지 않으며, 또한 각각의 원자의 수도 역시 변하지 않는다.


② 에너지 보존의 법칙 : 화학반응에 있어서는 열이 방출되기도 하고 주위로부터 반응계(反應系)로 열이 흡수되기도 한다.


가령, 12g의 탄소가 1atm, 25℃에서 완전 연소할 때 94kcal의 연소열이 발생한다.


이러한 열의 이동은 반응물질과 생성물질의 에너지 차이에 기인한다.


화학반응에 있어서 에너지 보존의 법칙은 열역학(熱力學)에 의해 체계화되었다.


이를 사용하여 특정 화학반응의 반응열을 계산할 수 있고, 반응의 가능성을 예측하고 반응 조건을 조절할 수 있으며, 화학평형(化學平衡)에 관한 정보를 얻을 수 있다.


③ 화학반응 속도론 : 화학반응의 속도에 영향을 미치는 요인으로는 반응 물질의 농도, 반응계의 온도와 압력 등을 들 수 있다.


반응 속도가 반응 물질 농도의 n제곱에 비례할 때 이를 n차 반응이 라고 한다.


가령 다음의 NO의 분해 반응은 1차 반응으로 그 속도는 NO의 농도(c)에 비례한다.





 


이로부터 반응시간에 따른 NO농도의 변화는 c=coe와 같이 얻어진다.


역으로 반응 속도와 반응에 관여하는 물질의 농도간의 관계를 측정함으로써 반응의 차수를 결정할 수 있으며, 이로부터 반응의 메카니즘을 규명할 수 있다.


화학반응이 시작되기 위해서는 하나 또는 그 이상의 화학결합을 파괴하여야 하며, 따라서 반응 물질은 어떤 최소한의 에너지 이상을 보유하고 있어야 한다.


이 최소한의 에너지를 활성화(活性化)에너지라고 하며, 반응 분자가 다른 분자들과의 충돌을 통해 얻는 에너지가 이를 초과할 때 반응이 일어날 수 있다.


활성화 에너지의 크기는 반응마다 다르며, 속도 상수와 온도 및 활성화 에너지 간의 가장 간단한 관계로는 아레니우스 방정식이 있다.





 


반응 속도를 이론적으로 연구하기 위해서는 통계역학 및 양자역학의 사용이 필요하게 되며, H. 아이링의 전이상태이론(轉移狀態理論) 등을 들 수 있다.