화학공학과에서 배우는 물리화학 (2)

1. 알고 있으면 도움될 내용

- 일반화학 중 기체, 반응 동역학 등

- 물리화학

- 미적분학 또는 화공수학1 (농도와 시간 사이의 관계에 대해 기술하기에, 특정 시점에서의 농도를 표현하기 위해서 주어진 식을 풀어야 하는 경우가 있습니다. 다만, 수학적인 풀이 보다는 해당 개념을 이해하는 데에 더 주목합니다.)

 

2. 배우게 될 내용

화학에서의 동역학 (chemical kinetics)에 대해 배우게 될 것입니다. 동역학은 특정 대상에 가해진 힘이 물체의 거동에 어떻게 영향을 주는 지를 공부하는 내용입니다. 다만, 화학에서의 동역학은 반응속도 및 메커니즘에 대한 이해를 원하며, 특정 반응이 진행될 때 반응 속도를 결정하는 요인들에 대해 공부를 하게 됩니다. (아마 화학 반응에 영향을 주는 힘은 구동력<driving force>으로 생각할 수 있습니다.) 간단하게 살펴볼까요? 각 단원은 Atkins의 'Physical Chemistry 9ed'를 기준으로 서술되었습니다.

(1) 반응이 일어나기 위해서는 물질이 충돌해야 하는데, 그 이전에 충돌할 수 있는 반경 안까지 물질들이 이동해야 합니다. 물질의 이동 원리를 알기 위해서 CH 20에서는 분자의 거동을 배우게 됩니다. 분자가 이동할 수 있는 media에는 기체와 액체가 있기에 각각의 media에서의 분자 이동에 대해 공부하고, 물질의 확산(diffusion)에 대해서도 배웁니다.

(2) 물질들이 충돌을 하고 반응이 일어날 것인데, 각각의 반응물이 어느 정도의 비율로 관여하는지를 표현하는데 이를 ‘rate law’라고 합니다. CH 21에서는 rate law를 측정할 수 있는 실험 방법들과 rate law를 표현하는 방법, 그리고 여러 화학 반응 예시를 rate law로 표현하는 것을 배우게 됩니다. rate law는 크게 2가지, 시간을 반영한 식과 시간을 반영하지 않는 식으로 표현되는데, 이 둘을 종합해서 임의의 시점에서의 물질의 양(농도)를 계산할 수 있게 됩니다. 이를 위해서 약간의 적분이 필요한데, 미적분학1에서 배우는 ‘유리함수의 적분’ 정도만 참고하시면 될 것입니다.

(3) CH 21에서 화학 반응을 ‘양적 관계’에 주목해서 관찰했다면, CH 22에서는 화학 반응에서 관찰되는 과정을 세분화해서 살펴봅니다. 이 단원에서는 크게 분자 충돌의 동역학과 전이 상태 이론에 대해 공부합니다. 그리고 반응 등에서 이온과 같이 전자 이동이 관여하는 경우가 많으며, 전자 이동에 대한 동역학도 간단하게 배울 수 있습니다.

(4) 마지막 단원인 CH 22에서는 위에서 배운 내용들을 바탕으로 ‘촉매 반응’에 대해 공부합니다. 촉매는 체외의 반응 모두에서 중요하게 관여하기 때문인 것 같습니다. 균일 촉매(많은 경우 체내, 효소)와 불균일 촉매(많은 경우 체외, 공업적 이용)이 작용하는 메커니즘이 상이하기에 각각의 촉매와 반응 메커니즘에 대해 공부합니다.