화학반응공학의 넓고 넓은 개척분야
화학반응속도론(chemical kinetics)은 화학반응속도(chemical reaction rate)와
반응메커니즘(reaction mechanism)을 연구하는 학문이다.
화학반응공학(chemical reaction engineering, CRE)에서는 화학반응속도론을 반응이 일어나는 반응기와
결합시킨 내용을 연구한다. 화학반응속도론과 반응기 설계는 그럼 1-1에서 나타낸 프탈산 무수물의 제조와 같은
대부분의 화학제품을 생산하는 데에 매우 중요하다.
화학공학 기술자가 다른 공학 기술자들과 구별되는 것은 무엇보다도 화학반응속도론과 반응기 설계에 대한
지식 때문이다. 어떤 화학공장의 경제적인 성공 여부는 가장 안전하고 효율적인 방식으로 조업하는 반응계를
선택할 수 있느냐에 달려 있다고 할 수 있다. 예컨데 어던 반응계가 다량의 원하지 않는 생성물을 생산한다면,
나중에 원하는 생성물을 정제 및 분리하는 공정이 따라야 하기 때문에, 전체 공정이 경제적으로 부적합하게 될 수도 있다.
이 책에서 배우게 되는 화학반응공학(CRE) 우너리는 화학제품이나 의약품의 제조와 같은 전통적인 분야뿐만 아니라,
폐기물 처리와 마이크로전자공학, 나노입자와 같은 분야에서도 응용될 수 있다.
CRE 원리의 광범위한 응용을 설명하는 몇 가지 사례들을 그림 1-2에서 보여준다.
이 사례들은 Los Angeles 분지의 스모그 모델화, 하마의 소화기 계통 및 분자 CRE를 포함하고 있다.
이외에도 다음 사례들이 포함되어 있다.
가장 일반적인 세 가지 유형의 공업용 반응기가 사용되고 있는 에틸렌 글리콜(부동액)의 제조공정,
독성 화학제품을 분해시키기 위한 습지의 이용, 기름 회수를 향상시키기 위한 산-바퀴 상호작용에 대한
고체-액체 속도론, 코브라 독과 약물전달의 약물속도론, 원동기 기름 제조에 사용되는 자유라디칼 포집제,
효소반응속도론과 약물속도론, 열효과, 도피반응, 공장의 안전성, 가솔린의 옥탄가 증가, 그리고 컴퓨터 칩의 제조.
반응속도, -rA의 정의
한 화학종이 소모되어 다른 화학종을 형성하는 속도는 반응속도에 의하여 표현된다.
화학종이란 주어진 동일성을 가지고 있는 임의의 화학성분 또는 원소를 말한다.
어떤 화학종의 동일성은 그 종 원자의 종류와 개수 및 배위 형상에 의하여 결정된다.
예컨데, 화학종 니코틴은 일정한 분자배열 또는 배위형상을 이루고 있는 주어진 개수의 특정 원자들로 구성되어 있다.
그림에서 나타낸 구조는 화학종 니코틴에 대한 원자들의 종류와 개수 및 배위형상을 분자수준에서
설명해주고 있다. 2개의 화합물이 가지고 있는 원자들의 종류와 개수가 동일하다고 하더라도,
서로 다른 배위형상을 가질 수 있기 때문에, 서로 다른 화학종이 될 수 있다.
예컨대 2-부텐은 4개의 탄소원자와 8개의 수소원자를 가지고 있다.
그러나 이 화합물의 원자들은 드 구자 다른 배열을 이룰 수 있다.
이 두 이성질체는 서로 다른 배위형상을 가지고 있기 때문에 서로 다른 물리적, 화학적 성질을 나타낸다.
그러므로, 이것들이 가지고 있는 원자의 종류와 개수가 비록 동일하다고 하더라도,
이것들은 서로 다른 화학종인 것이다.
하나 혹은 그 이상의 화학종의 탐지 가능한 개수의 분자들이 자신의 동일성을 상실하여
화합물에 포함된 원자의 종류 또는 개수가 변하거나 원자들의 구조 또는 배위형상이 변하여
새로운 형태를 취할 때 화학반응이 일어났다고 말한다.
화학적 변화에 대한 이러한 고전적 접근방법에서는, 화학반응이 일어날 때 전체 질량은 창조되지도 않고
소멸되지도 않는다고 가정된다. 여기서 말하는 질량은 계 내의 서로 다른 모든 화학종들의 질량을
합한 전체 질량이다. 그러나 특정 반응에 수반된 개별 화학종에 대한 경우에는 특정 화학종의 질량 소실속도에
대해서 말해야 하는 것이다. 어떤 화학종, 예컨대 화학종 A의 소실속도는 화학반응의 진행 중에
화학결합들의 파괴와 재형성을 통하여 그것들의 화학적 동일성을 상실하는 A분자의 단위시간당 단위부피당
개수이다. 계 내에서 특정 화학종이 출현하기 위해서는, 다른 화학종의 어떤 정해진 분량이
자신의 화학적 동일성을 상실해야만 한다.
어떤 화학종이 자신의 화학적 동일성을 상실하는 세 가지 기본적인 방법은
분해, 결합, 그리고 이성질화이다.
분해는 분자가 쪼개져서 보다 작은 분자, 원자 또는 우너자조각들로 됨으로써
자신의 동일성을 상실한다. 예컨대, 하나의 큐멘 분자로부터 벤젠과 프로필렌이 형성되었다면,
큐벤 분자는 결합이 파괴되어 이러한 분자들을 형성함으로써 자신의 동일성을 상실하였다.
어떤 분자가 동일성을 상실할 수 있는 두 번째 방법은 다른 분자 또는 원자와의 결합에 의한 것이다.
위의 예에서 반응이 역방향으로 수행되어 프로필렌이 벤젠과 결합하여 큐멘을 형성한다면,
프로필렌 분자는 자신의 동일성을 상실한다.
어떤 화학종이 자신의 동일성을 상실하는 세 번째 방법은 다음과 같이 이성질화에 의한 방법이다.
여기서 이 분자는 다른 분자들을 자신에게 첨가하지 않았을 뿐만 아니라 더 작은 분자들로 쪼개지지도 않았지만,
배위형상의 변화를 통하여 자신의 동일성을 상실한다.
이를 요약하면, 특정 화학종의 주어진 개수의 분자들이 자신의 화학적 동일성을 상실했을 때,
이 분자들이 반응했다거나 소실되었다고 말한다.
주어진 화학반응이 진행되는 속도는 여러가지 방법으로 표현될 수 있다.
이를 설명하기 위하여 발연 황산 존재하에서 클로로벤젠과 클로랄이 반응하여 살충제 DDT를
생산하는 반으을 생각하자.
기호 rJ는 화학종 J의 형성 속도이다. 만일화학종 J가 반응물이면 rJ의 수치값은 음수이다.
만일 화학종 J가 생성물이면 rJ의 수치값은 양수이다.
불균일반응은 둘 이상의 상을 포함한다.
불균일 반응계에서의 반응속도는 일반적으로 부피보다는 반응표면적이나 촉매무게와 같은 단위로 표현된다.
기체-고체 촉매반응의 경우에, 기체 분자들은 고체 촉매와의 상호작용이 있어야만 반응이 일어날 수 있다.
이러한 불균일 반응속도, 즉 rA의 차원은 단위시간당 단위촉매질량당 반응하는 A의 몰수 이다.
