농업직, 농학과, 화학, 방통대 등 농업생물화학 핵심 요점 정리 3. 화학반응

제 3장 화학반응

⦁원자량(atomic mass) : 원자의 질량을 표현하는 단위이며 원자를 구성하고 있는 양성자와 중성자 숫자의 합으로 표기한다. 원자 질량에 대한 상대적인 척도이며, 양성자와 중성자 숫자의 합

⦁원자질량단위(atomic mass unit : u) : 원자량 1에 해당하는 질량의 단위, 1원자질량단위(1u)의 실제 질량은 1.67X10⁻²⁴g이다.

⦁분자량(molecular weight : Mw) : 분자의 질량을 표현하는 단위이며 분자를 구성하는 원자들의 원자량의 합으로 표기한다.. 분자질량에 대한 상대적인 척도.

⦁몰(mole) : 원자 혹은 분자 6.022X10²³개의 질량. 원자량 혹은 분자량의 g수에 해당하는 질량

⦁몰농도(molarity) : 용액 1L에 용해되어 있는 용질의 mole 수

⦁몰랄농도(molality) : 용매 1L에 용해되어 있는 용질의 mole 수

⦁반응평형(equilibrium) : 반응에서 정반응속도와 역반응속도가 동일한 상태

⦁내부에너지(internal) : 물질 혹은 반응계에 존재하는 총에너지

⦁엔탈피(enthalpy change) : 물질의 에너지 중 열로 방출될 수 있는 에너지 부분. 물질이 가지고 있는 에너지 중 화학반응에 의해 열로 방출될 수 있는 에너지.

⦁엔트로피 변화량(entropy) : 상태의 무질서의 정도를 나타내는 척도이며, 반응의 자발성과 관련되는 열역학 제2법칙을 설명하기 위해 고안된 개념이다. 자발적으로 일어나는 반응에 의해 우주의 엔트로피는 증가한다는 것이 열역학 제2법칙인데, 반응 결과 우주의 엔트로피 증가 여부에 의해 그 반응의 자발성 여부를 판단할 수 있다. 무질서의 척도로서 엔트로피가 증가하면 무질서의 정도가 증가한 것이다. 우주는 무질서한 방향으로 진행하기 때문에 엔트로피가 증가하는 반응은 자발적인 반응이다.

⦁자유에너지(free energy) : 반응이 자발적으로 일어날 수 있는가를 판단하는 척도이며, 반응계의 자유에너지가 감소하는 반응은 자발적으로 일어나는 반응이다. 대사반응에서 자발적으로 일어나지 않는 반응이 자유에너지가 감소하는 반응과 함께 일어나면 반응이 가능해지기 때문에 자유에너지는 생물체에서 일에 이용될 수 있는 에너지에 해당한다. 물질의 엔탈피에서 절대온도와 엔트로피를 곱한 값을 뺀 것이다. 생물체에서 에너지원으로 사용되는 영양소의 에너지 중에서 일에 이용될 수 있는 에너지에 해당한다고 할 수 있다.

⦁연합반응(coupled reaction) : 두 종류의 반응이 함께 일어나는 반응, 자유에너지가 필요하기 때문에 자발적으로 일어나지 않는 반응이 자유에너지를 방출하는 반응과 함께 진행됨으로써 가능해진다.

⦁다단계반응 : 여러 단계에 걸쳐 반응이 진행되어 완료되는 반응

⦁활성화착물(activated complex) : 화학반응에서 반응물들이 서로 결합하여 생산물로 전환되기 직전의 상태로서 에너지 함량이 높다. 이러한 상태를 전이상태(transition state)라 한다.

⦁활성화 에너지(activation energy) : 반응물이 활성화착물을 형성하는데 필요한 에너지. 화학반응이 일어나기 위해 반응물에 가해야 하는 에너지

⦁촉매(catalyst) : 자신은 변화하지 않으면서 활성화 에너지를 낮추어 낮은 온도에서도 반응이 높은 속도로 일어날 수있도록 하는 반응 촉진물질. 성화 에너지를 낮춤으로서 화학반응 속도를 증가하는 물질로서 반응과정에서 자신은 변화하지 않는다.

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3.1 화학량의 표현

3.1.1 원자량, 분자량, mole

- 원자질량 : 원자질량단위(atomic mass unit, u)

- 1u : C(양성자 6, 중성자 6, 젂자 6) 질량의 1/12. 실제질량 : 1.67×10-24g

- 원자량 : 양성자 + 중성자 숫자

- 분자량 : 구성원자 원자량 합

- 1g 원자량, 1g 분자량 : 6.022×1023g개(Avogadro수) 원자 혹은 분자 질량

- 몰(mole) : 화학반응의 양적 개념을 명확

(1) 원자량, 분자량

원자, 분자의 실제 무게는 아주 작아 실제로 사용하기에 매우 불편하기 때문에 원자 질량과 분자 질량을 편리하게 표현하기 위해 고안된 단위로서, 1원자 질량 (atomic mass unit: u)은 1.67×10-24g이다. 원자량은 양성자 수와 중성자 수의 합계로, 분자량은 구성 원자들의 원자량의 합계로 표현한다.

(2) 1g 원자량, 1g 분자량, mole

㉮ 1g 원자량은 원자량에 g을 붙인 무게에 해당하며 그 무게에는 Avogadro 수(6.022×1023)만큼의 원자가 존재한다.

㉯ 1g 분자량은 분자량에 g을 붙인 무게에 해당하며 그 무게에는 Avogadro 수 만큼의 분자가 존재한다.

㉰ 1g 원자량, 1g 분자량이 각 원자, 분자의 1mole이다. 즉 Avogadro수만큼의 질량이 1mole이다.

3.1.2 농도

- % 농도 : 용액에 대핚 용질의 백분율

- 몰농도(molarity, M) : 용액 1L에 용해되어 있는 용질의 mole 수

- 몰랄농도(molality, m) : 용매 1L에 용해되어 있는 용질의 mole 수

- 몰분율(mole fraction, Xa) : 용액에 존재하는 물질들의 mole수 합에 대한 용질 mole수의 백분율

(1) 농도의 개념

농도란 용액에 존재하는 특정 물질의 양을 전체 양과 비교하여 표시하는 단위체계이다. 용액은 구성성분들이 모두 모든 부위에 균일하게 존재하기 때문에 농도를 알면 특정한 양의 용액에 존재하는 특정 물질의 양을 알 수 있다. 용액은 용질과 용매로 구성되어 있는데 양이 더 많은 것을 용매라 한다. 농도라 함은 일반적으로 용질의 양을 의미한다.

(2) 몰농도(molarity: M), 몰랄농도(molality: m)

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㉮ 몰농도는 용액 1L에 용해되어 있는 용질의 mole 수이다.

㉯ 몰랄농도는 용매 1L에 용해되어 있는 용질의 mole 수이다.

㉰ 몰농도와 몰랄농도는 용질의 숫자 개념을 포함하고 있어 화학반응 관련조건을 표기하는데 매우 유용하며, 몰농도가 많이 사용된다.

 

3.2 화학반응의 표현

1) 화학반응식

화학반응식은 화학반응의 내용을 식으로 표시한 것이며, 표기방법은 다음과 같다.

㉮ 반응물은 반응식 좌변에, 생성물은 반응식 우변에 표기한다.

㉯ 반응의 방향은 정반응(→) 및 역반응(←)을 화살표로 표시한다.

㉰ 반응물 및 생성물의 양은 숫자로 표기하며 이는 분자 및 원자의 개수 혹은 mole 수를 의미한다.

㉱ 반응물 및 생성물의 상태를 기체-(g), 액체-(l), 고체-(s)로 표기하며, 생략하기도 한다.

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㉲ 에너지 변화량을 반응식 후미에 제시하며 생략하기도 한다.

CO2(g)＋2H2O(l) → CH4(g)＋2O2(g)

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890.4kJ/mol

CO2(g) ＋2H2O(l) → CH4(g)＋2O2(g)

CO2＋2H2O → CH4＋2O2

2) 표준상태

화학반응은 반응의 여러 가지 조건의 영향을 받기 때문에 화학반응과 관련한 결과들은 반응 조건에 따라 다르다. 여러 가지 종류의 화학반응을 비교, 설명해야 하는 경우 동일한 조건에서 실시된 반응의 결과가 필요하다. 이러한 필요에 따라 표준상태라는 개념을 설정하여 표준상태에서 일어나는 결과를 비교하는 것이 상례화되어 있다.

㉮ 기체반응의 표준상태는 1기압, 25℃이다.

㉯ 액체용액반응의 표준상태는 25℃, 반응물의 농도 1M이다.

㉰ 생물체액반응의 표준상태는 25℃, 반응물의 농도 1M, pH 7.0이다.

3.3 화학반응 평형

ㅇ 평형 : 화학반응의 진행 정도

ㅇ 생성물의 생산량 : 생산량 예측

ㅇ 에너지 변화량 : 발열 및 흡열, 반응의 자발성

㉮ 정반응속도와 역반응속도가 동일한 상태가 평형상태이다.

㉯ 평형상태에서 반응이 진행된 정도는 평형상수(K eq)로 표현한다. 평형상수는 평형에 이르렀을 때의 반응물과 생성물의 몰농도 비율로 나타낸다. 평형상수는 특정한 반응에서 일정하며, 촉매의 존재 여부에 관계없이 항상 일정하다.

㉰ 정반응 쪽으로 매우 많이 진행되어 역반응을 식별하기가 어려운 경우를 반응이 종결되었다고 한다.

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3.4 화학반응의 에너지 변화

ㅇ 대사반응에는 에너지 생산여부, 반응의 가능성 여부를 에너지 변화에 따라 판단할 수 있다.

3.4.1 반응장소의 구분

1) 에너지 변화와 반응장소와의 관계

㉮ 반응이 일어나는 장소와 관련한 공간은 우주, 계(系, system), 경계(boundary), 주위(surroundings)로 구분한다.

㉯ 반응은 계에서 일어나며 에너지가 변화한다 함은 계와 주위 간의 에너지 이동을 의미한다. 에너지가 감소했다 함은 계에서 주위로 에너지가 이동한 것이고, 에너지가 증가했다 함은 주위에서 계로 에너지가 이동한 것이다.

3.4.2 에너지 변화량의 종류

ㅇ 총에너지 변화량 : 화학반응 결과 계와 주위 사이의 에너지 총량

ㅇ 엔탈피 변화량 : 열 함량 변화 → 흡열/발열반응

ㅇ 엔트로피 변화량 및 자유에너지 변화량 : 화학반응의 자발성 판단

㉮ 에너지 변화량의 종류에는 총에너지 변화량, 엔탈피 변화량, 엔트로피 변화량, 자유에너지 변화량이 있다.

㉯ 총에너지 변화량은 물질이 가지고 있는 총에너지가 변화한 것을 의미하며 변화한 에너지는 열 혹은 일로 변환되어 나타난다.

㉰ 엔탈피 변화량은 열로 방출되거나 흡수된 에너지이다.

㉱ 엔트로피 변화량은 반응이 자발적으로 일어날 것인가 여부를 판단하는 지표로 사용된다.

㉲ 자유에너지 변화량은 반응의 자발성 여부, 일에 사용할 수 있는 에너지 공급 가능 여부를 판단하는 에너지이다. 생물체 대사반응에 사용되는 에너지는 자유에너지이다.

3.4.2.1 총에너지 변화량

ㅇ물질이 가지는 총에너지(E)를 내부에너지(E)라고도 한다. 반응 결과 변화한 내부에너지는 열(q)과 일(W)로서 나타난다. 일은 ‘힘(F)×거리(d)’이며, 힘은 ‘압력(P)×면적(A)’이다. 그러므로 ‘일(W)=압력(P)×면적(A)×거리(d)’이다. ‘면적(A)×거리(d)’는 부피(V)이므로 ‘일(W)=압력(P)×부피(V)’이다.

ㅇ계가 주위로부터 열을 받으면 반응결과 열의 양이 증가한 것이므로 q>0이고, 계가 주위로 열을 방출하면 계의 열이 감소한 것이므로 q<0이다.

ㅇ 일을 받거나 주위에 해 주는 것은 계의 부피변화, 압력과 관계가 있기 때문에 부피,압력요소로 표현한다. 일(w)은 일정한 힘(F)을 일정한 거리(d)만큼 작용한 것이다.

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3.4.2.2 엔탈피 변화량

ㅇ 반응 결과 변화한 내부에너지 변화량 중 열 함량 변화량(△q)을 엔탈피 변화량 (△H)이라 한다. 엔탈피 변화량이 음수이면 총에너지(내부에너지) 중 열 함량에 해당하는 부분이 감소한 것이기 때문에 열이 방출된 반응, 즉 발열반응이고, 엔탈피 함량이 양수이면 총에너지(내부에너지) 중 열 함량에 해당하는 부분이 증가한 것이기 때문에 흡열반응이다. 발열반응이 잘 일어나도록 하기 위해서는 열이 잘 방출되도록 해야 하기 때문에 주위의 온도를 낮추어야 하고, 흡열반응이 잘 일어나도록 하기 위해서는 주위의 온도를 높여 주어야 한다.

3.4.2.3 엔트로피 변화량과 자유에너지 변화량

(3) 엔트로피 변화량

엔트로피는 ‘무질서의 척도’라고 할 수 있다. 즉 무질서한 정도가 증가하면 엔트로피가 증가하는데 모든 사물은 무질서해지는 방향으로 변화하기 때문에 우주는 엔트로피가 증가하고자 하는 경향이 있다(열역학 제2법칙). 그래서 우주의 엔트로피가 증가하는 반응[엔트로피 변화량(△S)＞0]은 자발적으로 일어나는 반응이며, 감소하는 반응[엔트로피 변화량(△S)＜0]은 자발적으로 일어날 수 없는 반응이다. 우주의 엔트로피가 변화하지 않으면, 즉 엔트로피 변화량(△S)이 0이면반응은 평형상태에 있는 것이다.

(4) 자유에너지 변화량

우주의 엔트로피 변화량으로부터 반응의 자발성 여부를 판단할 수 있지만 우주의 엔트로피 변화량을 구하기 위해서는 계와 주위의 엔트로피 변화량을 모두 고려해야 한다. 그러나 우리가 관심을 가지고 있을 뿐만 아니라 상태를 용이하게 추적할 수 있는 것은 계이다. 그러므로 계의 상태에 근거해서 반응의 자발성 여부를 판단할수 있다면 매우 편리할 것이다. 자유에너지 변화량은 계의 상태에만 근거해서 반응의 자발성 여부를 판단할 수 있는 parameter이다. 계의 상태에 근거해서 자유에너지 변화량을 도출하고, 자유에너지 변화량에 의해 반응의 자발성 여부를 판단하는 과정은 다음과 같다.

계에서 열이 주위로 방출되면 주위의 온도가 높아지고, 주위에 존재하는 물질의 운동에너지가 증가하여 운동량이 증가한다. 이는 주위의 무질서 정도가 증가하기 때문에 엔트로피도 증가한 것이다. 계에서 열이 주위로 방출되었다 함은 계의 엔탈피가 감소하는 것이기 때문에 △S 주위는 -△H계와 비례한다. 계에서 주위로 열이 방출되면(-△H계) 주위의 온도가 매우 높아져 주위의 엔트로피가 증가(△S 주위)하는데, 온도가 낮은 상태에서는 온도가 조금만 증가해도 무질서의 정도가 매우 증가하지만 온도가 높은 상태에서는 온도가 조금 증가하면 무질서의 정도가 크게 증가하지 않는다. 그러므로 온도가 높아지면서 온도증가에 의해 엔트로피가 증가하는 정도는 감소한다. 즉 온도와 엔트로피가 증가하는 정도는 반비례관계(△S 주위=-△H계/T)에 있다. 그러므로 △S 우주=△S 。계-△H계/T이다. 이 식에 의해 ‘△S 우주’를 반응계의 상태 변화만으로 판단할 수 있게 되었다. [*표준상태에서 일어나는 화학반응의 △S 。계는 반응물과 생성물의 표준엔트로피(S 。)로부터 구할 수 있고, △H계는 반응물과 생성물의 표준생성 엔탈피(△H。f)로부터 구할 수 있으므로 계의 상태에 의해 해당반응이 표준상태에서 자발적으로 일어날 수 있는가 여부를 판단할 수 있다.]

이 과정을 반응의 자발성과 관련하여 정리하면 다음과 같다.

자발적 반응: △S우주 = △S계 - △H계 / T ＞ 0

엔트로피 변화량의 식에서 H-TS를 자유에너지(G)라고 정의하였고 이 정의에 의하면 ‘△H-T△S=△G ’이다. 자유에너지 변화량(△G)의 값에 의해 반응의 자발성 여부를 간단하게 표기한다. 즉 △G＜0이면 자발적 반응이고, △G＞0이면 비자발적 반응이며, △G=0이면 반응이 정체되어 있는 평형상태이다. H-TS=G (자유에너지) → △H-T△S=△G→ △G＜0 : 자발적 반응, △G＞0 : 비자발적 반응, △G=0 : 평형

② 평형상수에 의한 자유에너지 변화량 계산

ㅇ자유에너지 변화량(△G)을 엔탈피 변화량(△H계), 엔트로피 변화량(△S계), 온도(T)로 알아낼 수 있으나 실험을 통하여 용이하게 구할 수 있는 반응비(생성물과 반응물의 농도비율)로서 알아낼 수 있는 식에 의해 자유에너지 변화량(△G)을 구할 수 있다.

ㅇ생물체에서는 비자발적으로 일어나는 반응(△G>0)이 자발적으로 일어나는 반응(△G<0)과 함께 일어남으로써 두 반응이 연합한 반응의 자유에너지 변화량이 음수가 되면 자발적인 반응이 가능해진다. 결국은 자유에너지가 생물체에서 이용된 것이다. 즉, 자유에너지는 생물체에서 대사에서 이용될 수 있는 에너지 부분이다.

3.4.2.3 산화환원반응의 자유에너지 변화량

생물체의 에너지생산 관련 반응은 모두 산화환원반응이다. 물질이 산화환원반응에 의해 변화할 때 반응물과 생성물의 표준환원전위(△Eo’)에 의해 반응에서 변화하는 표준환원전위, 즉 표준환원전위 변화량(△Eo)을 알 수 있고, 표준환원전위 변화량을 이용하여 표준자유에너지 변화량(△Go’)을 다음과 같이 계산할 수 있다. 환원전위(E)란 물질이 환원되고자 하는 경향을 전위(Votage)로 표현한 것이다. 환원되고자 하는 경향이란 전자를 받고자 하는 경향을 의미한다. 표준환원전위(△Eo’)는 생물체의 경우 pH 7.0, 25℃, 반응물농도 1M 조건에서의 환원전위를 의미한다.

3.4.3 생체반응에너지 특성

3.4.3.1 자유에너지의 저장물질

 

ㅇ ATP 기능

- ADP △G0’ 보다 △G0’이 적은 인산화합물

☞ ADP에 인산을 전달하면서 ATP에 에너지 저장

- ATP △G0’ 보다 △G0’이 큰 화합물

☞ ATP로부터 인산을 전달받으면서 에너지함량 증가

(1) 에너지를 ATP에 저장

반응	ΔG [kJ/mol]
ATP + H2O → ADP + Pi	-36.8
ADP + H2O → AMP + Pi	-36.0
ATP + H2O → AMP + PPi	-40.6
PPi + H2O → 2 Pi	-31.8
AMP + H2O → A + Pi	-12.6

에너지생산 대사반응에서 생산된 에너지는 일반적으로 ATP에 저장된 후 사용된다. 영양소가 대사반응을 통하여 이용되면서 에너지를 생산한다고 하는 것은 에너지 함량이 높은 영양소(탄수화물, 지방, 단백질)가 에너지 함량이 낮은 이산화탄소 (CO2)와 물(H2O)로 전환되면서 차이에 해당하는 에너지가 방출되는 것인데, 그중에서 자유에너지(자유에너지 변화량에 해당하는 에너지)를 생물체가 이용하는 것이다. 방출된 자유에너지는 바로 이용되지 않고 ADP에 인산이 결합하는 데 이용되어 ATP에 저장되었다가 필요할 때에 ATP가 ADP로 다시 분해하여 저장했던 에너지를 이용하는 것이다. ATP 1mole을 ADP로 분해하면 30.5kJ의 자유에너지를 이용할 수 있다. ATP가 에너지 저장물질로 이용되는 것은 다음과 같은 이유 때문이다.

㉮ ATP는 분자 내에 3개의 인산결합에 대량의 에너지를 축적한다.

㉯ ATP분자 내의 인산 부위에 많은 음전하가 밀집해 있기 때문에 이들이 반발하며, ATP가 분해되어 생산되는 ADP와 인산이 ATP보다 안정하기 때문에 ATP의 인산결합이 쉽게 분해됨으로써 에너지가 필요할 때 신속하게 ATP가 잘 분해될 수 있다.

㉰ ATP는 에너지 저장능력이 클 뿐만 아니라 다른 물질로 에너지를 넘겨줄 수있고, ADP는 다른 물질로부터 에너지를 받을 수 있어 에너지를 중개할 수있다. 이는 ADP와 ATP의 표준자유에너지 변화량(△Go’)이 인산화합물들중 중간 정도이기 때문이다.

※(위키)고에너지 인산 결합(high energy phosphate bond)은 생물체에 있는 인산 화합물 가운데 가수분해되면 다량의 에너지가 방출되는 결합을 말한다. 보통 발생하는 에너지가 몰당 6000cal 이상인 경우 고에너지인산화합물, 6000cal 미만인 경우 저에너지인산화합물로 불린다. 가장 대표적인 고에너지 인산 결합 화합물은 아데노신 삼인산으로 인산기가 하나 떨어져 나가면 7.3 kcal가 방출되며 아데노신 이인산으로 변한다(ATP → ADP). 이 경우 다시 아데노신 삼인산으로 환원될 때에도 7.3 kcal가 필요하다.

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3.4.3.2 연합반응

자유에너지를 필요로 하는 반응(△Go’＞0)이 자유에너지를 방출하는 반응 (△Go’＜0)과 함께 일어남으로써 자유에너지가 필요한 비자발적 반응이 가능하게된다.(대사반응에는 자유에너지가 필요하기 때문에 자발적으로 일어날 수 없는 반응은 자유에너지를 많이 방출하는 반응과 함께 일어남으로써 가능해진다. ATP가 분해되어 ADP로 전환되면서 방출하는 자유에너지를 사용하는 것이다. 자유네어지가 필요한 대사반응이 진행되기 위해서는 ATP를 포함하는 고에너지 인산화합물이 분해되는 반응이 함께 진행되어야 한다. 대사반응에서 ATP에 존재하는 자유에너지를 사용하는 반응은 모두 이와 같은 연합반응으로 이루어진다. 생물체는 연합반응과 다단계반응을 통하여 에너지를 효율적이고 안전하게 사용한다)

3.4.3.3 다단계반응 : 단번에 산화된다면 너무 많은 열이 발생하여 생물체의 체온이 급속하게 상승하는 결과를 초래

㉮ 에너지생산 대사반응은 여러 단계에 걸쳐 일어나면서 에너지가 소량씩 방출되기 때문에 열로 소실되는 다량의 에너지에 의해 체온의 상승을 방지할 수 있다.

㉯ 반응에 필요한 에너지의 크기는 작은 편이기 때문에 여러 단계에 걸쳐 자유에너지가 소량씩 방출되게 함으로써 필요한 양만큼의 에너지를 생산하면서 에너지를 효율적으로 이용할 수 있다.

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3.5 반응속도

- 중요성 : 생물체 생리적 필요 충족, 반응결과의 실용적 이용

- 반응속도 표현 : 반응물 소멸량 또는 생성물의 생산량(mole)/ 단위시간

3.5.1 반응속도식

‘aA＋bB → cC＋dD’의 반응에서 반응속도는 일반적으로 다음과 같다. 그러나 반응 양태에 따라 훨씬 복잡할 수 있다.

반응속도 = k[A]m [B]n

위 식에서 반응속도는 반응물 A와 B의 농도, k(반응속도상수)에 의해 결정된다.

반응속도상수에는 반응물농도 외의 모든 환경(온도, pH, 촉매, 압력, 저해물질 등)의 영향이 포함된다. m, n은 실험 결과 도출된 반응차수로서 반응식의 a, b와는 무관하다.

3.5.2 반응속도에 영향을 미치는 요인

 

ㅇ반응을 위해서는 반응의 종류에 따라 차기가 있기는 하나 반드시 에너지가 필요하다. 반응물등이 접촉한 후에 형성하는, 반응을 시작할 수 있는 형태를 활성화착물(activateed complex)이라 한다. 활성화착물은 반응물이 생성물로 전환되기 전에 일시적으로 형성되는 전이상태(transition state)에 있다. 반응물이 활성화착물을 형성하는데 필요한 에너지를 활성화 에너지(activation energy, Ea)라 한다. 활성화에너지는 적절한 온도의 반응환경으로부터 공급된다. 엔탈피가 감소하는 발열반응의 경우 생산물의 에너지 함량이 반응물의 에너지 함량보다 낮아 반응의 결과로 보면 에너지가 필요하지 않지만 활성화착물의 형성을 위해 에너지가 공급되야 한다.

3.5.2.1 온도

ㅇ온도의 영향은 아레니우스(Arrhenius)가 실험 결과 확립한 아레니우스식 →

ㅇ위 식에서 보면 온도(T)가 증가하면 (Ea/2.3R)(1/T)의 값이 작아지므로 반응속도상수(k)가 증가한다. 그러므로 온도가 높으면 반응속도가 증가한다. 그러나 효소가 촉매하는 반응의 경우 너무 높은 온도에서는 효소를 불활성화하므로 반응속도는 매우 낮아지게 된다. ‘A ’에는 온도와 촉매 외의 환경(pH, 압력, 저해물질 등)의영향이 포함되어 있다. Ea(활성화 에너지)에 촉매의 영향이 포함되어 있다.

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3.5.2.2 촉매

촉매는 자신은 변화하지 않으면서 반응속도를 증가시키는 물질을 의미하며 무기촉매와 유기촉매로 분류할 수 있다. 생물체 내 대사반응에 관여하는 효소는 유기촉매이다. 생물체 내 대사반응은 모두 효소에 의해 반응이 촉진, 진행된다.

촉매는 활성화 에너지를 감소시킴으로써 반응속도상수(k)를 증가시켜 반응속도를 높인다. 촉매가 반응물과 결합할 때 결합에너지가 방출한다. 그러므로 촉매 존재하에 일어나는 반응은 촉매가 반응물과 결합할 때 방출된 결합에너지만큼 낮은 활성화 에너지를 필요로 하게 되고, 활성화 에너지가 낮기 때문에 반응속도가 증가하는 것이다.

(3) 반응의 에너지 필요성

반응 결과 에너지 함량이 낮아지는 반응이라 해도 활성화착물을 형성하여 전이상태에 이르기 위해서는 에너지가 필요하다. 그러므로 모든 반응은 전이상태에 이르는 데 필요한 에너지를 공급할 수 있는 온도에서 반응이 일어난다.

<화학반응 요약>

1원자 질량 : 1.67×10-23g

1g원자량 : 원자량에 g을 붙인 무게, 6.022×1023개 원자

1g분자량 : 분자량에 g을 붙인 무게, 6.022×1023개 분자

1mole : 1g원자량, 1g분자량

용액 = 용질 + 용매(양이 더 많은 것)

몰농도 : 용액 1L에 용해되어 있는 용질의 mole수

몰랄농도 : 용매 1L에 용해되어 있는 용질의 mole수

표준상태 :

①기체 1기압, 25°C

②액체 25°C, 반응물의 농도 1M

③생물체 25°C, 반응물의 농도 1M, pH 7.0

평평상태 : 정반응 속도와 역반응 속도가 동일한 상태

엔탈피 변화량 : ΔH<0 : 발열반응

엔트로피 변화량 : ΔS>0 : 자발적 반응

자유에너지 변화량 : ΔG<0 : 자발적 반응

ATP 1mole을 ADP로 분해하면 30.5kJ의 자유에너지

ATP가 에너지 저장물질로 이용되는 이유 :

①대량의 에너지 축적

②쉽게 분해

③표준 자유에너지 변화량이 인산화합물들 중 중간 정도

연합반응 : 비자발적 반응이 가능 한 이유

다단계 반응 : 여러 단계에 걸쳐 소량씩 반응, 체온 상승 방지, 에너지 효율적 이용

반응속도 = k[A]m[B]n

활성화 에너지 : 반응물이 활성화착물을 형성하는 데 필요한 에너지

화학반응의 평형 : 역반응, 정반응 속도 동일해져 반응물, 생성물 농도변화 없이 일정하게 유지됨

엔탈피 변화량 : 총에너지 변화량 중에서 열함량(발열,흡열) 여부 판단.

① △H>0 : 계의 열 함량 증가. 흡열반응

② △H<0 : 계의 열 함량 감소. 발열반응

엔트로피 변화량, 자유에너지 변화량 : 반응의 자발성 여부 판단할수 있는 열역학 개념

자유에너지 : 계의 상태만으로 반응의 자발성 여부를 판단

자유에너지 변화량(△G) :대사반응의 에너지 변화량

생물체에서 에너지생산대사는 여러단계 반응 거쳐 진행→일시에 다량의 열이 방출되지 않음(체온 유지)

ATP 의 자유에너지 변화량

~ 대사반응의 에너지 관련물질의 중간정도기 땜에 에너지 관련 대사반응에서 자유에너지를 중개할 수 있다.

생물체는 연합반응과 다단계반응을 통해서 에너지를 효율적으로 안전하게 사용한다.

(정리 2)

⦁반응에 참여하는 반응물들은 상호 일정한 개수끼리 반응한다. 그러므로 반응에서 물질들의 변화를 개수로서 파악해야 한다. mole, M은 모두 개수의 개념을 포함하고 있기 때문에 물질의 양과 농도를 표현하는 데 매우 유용한 방법이다.

⦁엔트로피 변화량으로 반응의 자발성 여부를 판단하기 위해서는 계의 엔트로피 변화와 주위의 엔트로피 변화를 모두 조사하여 우주의 엔트로피 변화량을 구한 후 반응의 자발성 여부를 판단할 수 있다. 그러나 자유에너지 변화량은 우리가 관심을 가지고 있는 계의 열역학적 자료로서 구할 수 있기 때문에 엔트로피 변화량을 구하는 것보다 용이하다. 또한 자유에너지 변화량으로부터 반응의 평형상수를 알 수 있고, 생물체에서 대사에 필요한 에너지를 생산하는 반응인가 여부도 판단할 수 있다.

⦁ATP는 에너지 저장량이 큰 고에너지 물질이다.

⦁ATP의 인산 간의 인산무수결합은 분해되기 쉽기 때문에 생물체가 에너지를 필요로 할 때 쉽게 분해되어 에너지를 방출할 수 있다.

⦁ATP의 자유에너지 변화량이 고에너지 인산화합물 중에서 중간이기 때문에 자유에너지 변화량이 더 작은(음수값으로 큰, 분해될 때 에너지 방출량이 더 많은) 인산화합물로부터 에너지를 받아 저장할 수 있고, 자유에너지 변화량이 더 큰(음수값으로 작은, 분해될 때 에너지 방출량이 적은) 물질에는 에너지를 공급하는 중간매개체로서의 기능을 가지므로 필요에 따라 에너지를 중개할 수 있다.

⦁반응에서는 정반응과 역반응이 항상 일어난다. 반응 초기에는 정반응속도가 매우 빠르고 역반응속도가 느리나, 반응시간이 경과하면 반응물(기질)의 농도가 감소하고, 생산물의 농도가 증가하면서 역반응속도가 증가하게 된다. 이러한 과정 중에 정반응속도와 역반응속도가 동일해져 외견상으로는 반응이 진행되지 않는 것처럼 보이는 평형상태에 이른다.

⦁몰농도(M)는 용질의 개수를 포함하고 있다. 즉 여러 종류의 용질이 동일한 부피에서 물질이 용해되어 있는 경우 각 용질들의 M는 해당 용질의 개수의 비율과 동일한 것이다.

⦁엔탈피 변화량이 음수인 반응은 반응 결과 열리 방출되는 반응이기 때문에 이 반응의 반응물(기질)과 생산물의 에너지 관계만 보면 에너지를 공급할 필요가 없다. 그러나 반응이 진행되기 위해서는 반응물들끼리 만나 결합하여 생산물로 변화할 수 있는 상태의 활성화착물이 형성되어야 한다. 이 활성화착물을 형성하는 데 다량의 에너지가 필요하다. 그러므로 열을 방출하는 반응이라 해도 어느 정도의 에너지가 필요하다.

⦁자유에너지 변화량은 엔트로피의 개념에 근거하여 도출하였기 때문에 자유에너지 변화량은 엔트로피의 의미가 그대로 포함되어 있다. 즉 “자발적 반응은 자유에너지 변화량이 음수인 반응이다”라는 개념은 “우주의 엔트로피는 증가하려고 한다. 즉 자발적 반응은 우주의 엔트로피가 증가하는 반응이다”로부터 도출된 것이다.

⦁생체에서 일어나는 에너지생산 대사과정에서 반응물로부터 방출되는 에너지의 약 70%가 열로 소실된다. 이 열이 한꺼번에 방출되면 생체의 체온이 급격하게 상승하여 생물체가 살아남지 못한다. 그러나 여러 단계에 걸쳐 열이 소량씩 방출, 소실되기 때문에 체온이 유지될 수 있다.

[인강연습문제]

1. 동일한 용액에서 여러 물질들의 입자 수가 몰농도에 비례하는 이유는 무엇인가?

☞ 몰농도는 1L 의 용액에 용해되어 있는 물질의 mole수이며, mole은 입자의 숫자에 의해 결정되는 질량의 개념이다. 그러므로 mole수가 동일하면 그 질량의 크기에 관계없이 입자의 숫자도 동일하고, mole수가 2배이면 입자의 숫자도 2배가 되는 것이다.

2. 화학반응에서 엔탈피 변화량으로부터 알 수 있는 것은 무엇인가?

☞ 열이 방출될 것인가 흡수될 것인가 여부

3. 화학반응의 자발성 여부를 판단하는데 자유에너지변화량이 엔트로피 변화량 보다 더 편리한점은 무엇인가?

☞ 엔트로피 변화량은 계와 우주의 에너지 변화량을 모두 고려해야 알 수 있지만 자유에너지변화량은 계의 에너지변화량만을 고려해서 구할 수 있기 때문이다

4. 생물체가 이용하는 에너지는 어떠한 에너지이며, 특히 대사반응에 이용하는 에너지는 무슨 에너지 인가?

☞ 생물체가 이용하는 에너지는 에너지원으로 섭취한 영양소에 존재하는 화학에너지이며, 이중에서 자유에너지가 대사반응에 이용된다.

5. 생물체에서 에너지생산반응이 지속적으로 진행되고 있음에도 불구하고 체온이 유지될 수 있는 이유는 무엇인가?

☞ 다단계 반응에 의해 에너지가 생산되기 때문이다.

6. A + 3B → 2C + D 의 반응의 반응속도 = 0.2[A]22[B] 이다. A의 농도가 2배로 증가하면 반응속도는 몇 배로 증가 할 것인가?

☞ A의 농도가 2배로 증가했을 때의 반응속도 = 0.2[2A]22[B] = 0.2 ☓4[A]22[B] {0.2 ☓4[A]22[B]}/{0.2[A]22[B]} = 4 그러므로 4배 증가하였음

7. 촉매가 활성화 에너지를 낮추는 근거는 무엇인가?

☞ 촉매가 반응물과 결합할 때 방출되는 결합에너지

<교재 연습문제>

1. 화학반응에서 물질의 양을 mole, M로 표현하는 것이 유용한 이유를 설명하시오.

→ 반응에 참여하는 반응물들은 상호 일정한 개수끼리 반응한다. 그러므로 반응에서 물질들의 변화를 개수로서 파악해야 한다. mole, M은 모두 개수의 개념을 포함하고 있기 때문에 물질의 양과 농도를 표현하는 데 매우 유용한 방법이다.

2. 엔트로피 변화량으로 반응의 자발성 여부를 판단할 수 있음에도 불구하고 자유에너지 변화량을 사용하는 이유는 무엇인가?

→2. 엔트로피 변화량으로 반응의 자발성 여부를 판단하기 위해서는 계의 엔트로피 변화와 주위의 엔트로피 변화를 모두 조사하여 우주의 엔트로피 변화량을 구한 후 반응의 자발성 여부를 판단할 수 있다. 그러나 자유에너지 변화량은 우리가 관심을 가지고 있는 계의 열역학적 자료로서 구할 수 있기 때문에 엔트로피 변화량을 구하는 것보다 용이하다. 또한 자유에너지 변화량으로부터 반응의 평형상수를 알 수 있고, 생물체에서 대사에 필요한 에너지를 생산하는 반응인가 여부도 판단할 수 있다.

3. 2A＋3B=4C＋3D의 반응속도(V)=0.8[A][B]2이다. A와 B의 농도를 각기 2배로 증가하면 반응속도는 어떻게 변화하겠는가?

→3. A와 B의 농도가 변화한 후의 반응속도 =0.8(2[A])(2[B])2

5. 에너지생산 대사에서 생성되는 에너지가 ATP에 축적되는 것이 생물체에 유리한 점을 제시하시오.

→ ㉮ ATP는 에너지 저장량이 큰 고에너지 물질이다.

㉯ ATP의 인산 간의 인산무수결합은 분해되기 쉽기 때문에 생물체가 에너지를 필요로 할 때 쉽게 분해되어 에너지를 방출할 수 있다.

㉰ ATP의 자유에너지 변화량이 고에너지 인산화합물 중에서 중간이기 때문에 자유에너지 변화량이 더 작은(음수값으로 큰, 분해될 때 에너지 방출량이 더 많은) 인산화합물로부터 에너지를 받아 저장할 수 있고, 자유에너지 변화량이 더 큰(음수값으로 작은, 분해될 때 에너지 방출량이 적은) 물질에는 에너지를 공급하는 중간매개체로서의 기능을 가지므로 필요에 따라 에너지를 중개할 수 있다.

1. 화학반응의 평형과 관련한 내용이다. 맞는 것은?

① 정반응과 역반응이 정지한 상태이다. ② 촉매에 의해 평형상태를 변화할 수 있다.

③ 정반응이 완결되어 반응물이 완전히 생성물로 전환된 상태이다. ④ 정반응속도와 역반응속도가 동일하게 유지되는 상태이다.

정답 ④ 반응에서는 정반응과 역반응이 항상 일어난다. 반응 초기에는 정반응속도가 매우 빠르고 역반응속도가 느리나, 반응시간이 경과하면 반응물(기질)의 농도가 감소하고, 생산물의 농도가 증가하면서 역반응속도가 증가하게 된다. 이러한 과정 중에 정반응속도와 역반응속도가 동일해져 외견상으로는 반응이 진행되지 않는 것처럼 보이는 평형상태에 이른다.

2. glucose와 arabinose의 혼합수용액의 농도가 각기 0.5M, 0.4M이다. 이 용액 0.5L에 존재하는 glucose와 arabinose의 분자 숫자의 비율은?

① 제시한 조건으로는 알 수 없다. ② 0.5×glucose 분자량 : 0.4× arabinose 분자량

③ 0.5/glucose 분자량 : 0.4/arabinose 분자량 ④ 5 : 4

정답 ④ 몰농도(M)는 용질의 개수를 포함하고 있다. 즉 여러 종류의 용질이 동일한 부피에서 물질이 용해되어 있는 경우 각 용질들의 M는 해당 용질의 개수의 비율과 동일한 것이다.

3. 엔탈피 변화량이 음수인 반응의 경우에도 반응이 일어나기 위해서 에너지가 필요한 이유는 무엇인가?

① 역반응을 방지하기 위해 항상 에너지가 필요하다. ② 엔트로피가 증가되는 환경을 만들기 위해 에너지를 공급해야 한다.

③ 활성화착물을 형성하는 데 에너지가 필요하다. ④ 엔탈피 변화량이 음수이면 흡열반응이기 때문이다.

정답 ③ 엔탈피 변화량이 음수인 반응은 반응 결과 열이 방출되는 반응이기 때문에 이 반응의 반응물(기질)과 생산물의 에너지 관계만 보면 에너지를 공급할 필요가 없다. 그러나 반응이 진행되기 위해서는 반응물들끼리 만나 결합하여 생산물로 변화할 수 있는 상태의 활성화착물이 형성되어야 한다. 이 활성화착물을 형성하는 데 다량의 에너지가 필요하다. 그러므로 열을 방출하는 반응이라 해도 어느 정도의 에너지가 필요하다.

4. 자유에너지 변화량이 음수인 화학반응은 자발적으로 일어나는 반응이라는 해석은 다음 중 무엇에 근거하는가?

① 우주의 엔트로피는 증가하려는 경향이 있다. ② 반응에 소량의 에너지만 필요한 반응이다.

③ 우주의 엔트로피는 감소하려는 경향이 있다. ④ 에너지가 전혀 필요하지 않은 반응이다.

정답 ① 자유에너지 변화량은 엔트로피의 개념에 근거하여 도출하였기 때문에 자유에너지 변화량은 엔트로피의 의미가 그대로 포함되어 있다. 즉 “자발적 반응은 자유에너지 변화량이 음수인 반응이다“라는 개념은 ”우주의 엔트로피는 증가하려고 한다. 즉 자발적 반응은 우주의 엔트로피가 증가하는 반응이다“로부터 도출된 것이다.

5. 생물체의 체온이 높아지지 않을 수 있는 에너지생산 대사의 특징은?

① 연합반응 ② 다단계반응 ③ 광합성 ④ 자유에너지 방출

정답 ② 생체에서 일어나는 에너지생산 대사과정에서 반응물로부터 방출되는 에너지의 약 70%가 열로 소실된다. 이 열이 한꺼번에 방출되면 생체의 체온이 급격하게 상승하여 생물체가 살아남지 못한다. 그러나 여러 단계에 걸쳐 열이 소량씩 방출, 소실되기 때문에 체온이 유지 될 수 있다.

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