화학반응

화학반응(chemical reaction)은 물질 그 자체가 화학변화를 일으키거나, 또는 다른 물질과의 상호작용으로 화학변화를 일으키는 현상이다. 화학반응에 있어서는 분자를 이루는 원자들의 재배치가 일어나며 화학결합이 일부 파괴되고 또한 일부 생성된다. 화학반응은 화학결합의 파괴와 생성을 통해 반응 전 물질과는 화학적 성질이 다른 물질이 만들어지는 과정을 일컫는다. 이때, 화학반응 전 물질을 반응물, 반응 후 물질을 생성물이라고 한다.

인류는 오래 전부터 화학반응을 이용하여 유용한 물질을 만들고자 노력해왔다. 고대의 제련, 주조 기술에서부터 값싼 금속에서 금을 만들고자 했던 중세의 연금술에 이르기까지 축적된 화학 지식을 바탕으로 현대의 화학이 발전했다. 인공적인 화학반응으로 원하는 물질을 만드는 화학 합성을 통해 의약품, 플라스틱과 같은물질을 만들어내거나, 연소를 이용하여 에너지를 얻는다. 또한 생체 내에서 일어나는 소화과정, 단백질 합성도 화학반응의 일종이다.

개요

화학반응은 어떠한 화학 물질이 화학 변화를 겪어 다른 물질로 변화하는 과정이다. 고전적인 화학 반응은 원자핵의 변화 없이 원자 사이의 화학 결합이 형성되거나 끊어질 때 전자의 위치의 변화만을 다루며, 화학반응식으로 설명할 수 있다. 핵화학은 화학의 소분과로서 불안정하고 방사성을 띤 원자들의 화학 반응을 다룬다.

화학반응에서 변화하기 전의 물질을 반응물, 변화한 물질을 생성물이라고 한다.

화학 반응은 일정한 온도와 화학 농도에서 특유의 반응 속도로 이루어지며, 열 에너지 이외의 에너지를 필요로 하지 않는 빠른 반응은 자발적 과정으로 불린다. 비자발적 반응은 자연 상태에서는 매우 느리게 이루어지며, 인간이 관측하기 적절한 속도의 반응을 일으켜 화학 평형에 도달하려면 열, 빛, 전기 에너지 등 추가적인 에너지가 필요하다.

종류

화학 반응에는 다음과 같은 종류가 있다.

• 이성질화: 한 물질이 구조가 다른 이성질체로 변하는 반응이다.
• 화합반응: 여러 물질이 한 물질로 합쳐지는 반응이다.

N₂ + 3H₂ → 2NH₃

• 침전반응 : 용액을 반응시켰을 때 생성물로 고체가 나오는 반응으로 앙금생성반응이라고도 한다.

AgNO₃ + NaCl → NaNO₃+ AgCl

• 산화환원반응 : 반응에 관여하는 분자를 이루는 원자의 산화수가 변하는 반응이다.

2Mg + CO₂ → 2MgO + C

• 분해반응: 화합물이 더 작은 화합물 또는 원소로 나뉘어지는 반응이다.

2H₂O → 2H₂ + O₂

• 치환반응: 분자의 원자 또는 원자단이 다른 분자의 원자 또는 원자단과 바뀌는 반응이다.

2Na + 2HCl → 2NaCl + H₂

• 복분해 반응: 여러 물질이 반응하여 새로운 여러 물질로 변하는 반응이다.

NaCl + AgNO₃ → NaNO₃ + AgCl

또한, 반응 과정에서 열을 흡수하는 반응을 흡열 반응, 열을 방출하는 반응을 발열 반응이라고 한다.

화학법칙

화학반응에 관련된 화학법칙으로는 화학양론, 에너지보존의 법칙, 화학반응 속도론 등이 있다.

화학양론

화학반응의 정량적 법칙으로 반응 전후 질량, 원자수 보존이 이에 해당한다. 예를 들어 수소와 산소가 만나 물이 생성될 때, 수소 4g과 산소 32g이 반응하여 36g의 물이 생성된다. 반응 전 질량은 4g+32g, 반응 후 질량은 36g으로 반응 전후 질량이 보존되었음을 알 수 있다. 또한 반응 전 수소 원자의 개수는 4개, 산소 원자의 개수는 2개이고, 반응 후에도 같은 수의 수소 원자와 산소 원자가 있으므로 원자의 개수는 보존되었다.

에너지보존의 법칙

화학반응이 일어날 때 반응이 일어나는 전체 계의 에너지는 보존된다. 반응물의 에너지와 생성물의 에너지 차이만큼 주위로부터 열을 흡수 또는 방출한다. 예를 들어 수소와 산소가 만나 수증기가 만들어질 때, 주위에 242kJ만큼의 에너지를 방출한다.

화학반응 속도론

반응물의 농도, 반응계의 온도와 압력 등은 화학반응 속도에 영향을 미친다. 반응속도가 반응물 농도의 n승에 비례할 때 이를 n차 반응이라고 한다. 반응속도와 반응물의 농도의 상관 관계를 측정하여 반응 차수를 결정할 수 있다.

참고자료

• 〈화학반응〉, 《두산백과》
• 〈화학반응〉, 《위키백과》

같이 보기

• 화학양론

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