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KAIST 화학과를 졸업하고 포스텍에서 박사과정을 수료했다. 고려대 교육대학원에서 화학교육으로 석사과정을 수료한 뒤 현재 파인만학원 과학논술 팀장으로 일하고 있다. 파인만학원과 학림논술, 메가스터디에서 자연계 논·구술을 강의하고 있다.
마이클리스-멘텐식과 르 샤틀리에의 원리를 알고 화학평형과 반응속도를 이해해 봅시다.
Q1
다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
(가) 생명체가 살아가기 위해서는 생체 내에서 많은 종류의 화학반응이 일어나야 한다. 영양분을 섭취해 필요한 에너지로 바꾸고 생체구조물을 만들며 신호를 전달하는 모든 과정은 화학반응을 통해 일어난다. 효소는 이런 과정이 효율적으로 일어나게 하는 생화학적 촉매다. 효소는 활성화 에너지를 낮춰 생물체 안에서 화학반응이 빠르고 쉽게 일어나도록 돕는다. 효소는 대개 분자량이 2만g/몰 이상인 거대한 단백질 분자다.
효소 표면에는 특정한 기질만이 결합해 화학변화를 일으키는 특징적인 구조와 화학적 성질을 가진 부분이 있다. 이를 활성화 자리(active site)라고 한다. 많은 효소의 활성화 자리는 매우 선택적이며 구조가 유사한 분자라도 다른 분자와는 결합하지 않는다.
(나) 효소 촉매 반응은 다음과 같이 단순하게 나타난다.
여기서 E는 효소, S는 효소가 작용하는 기질, P는 반응의 최종산물, ES는 효소-기질 복합체를 의미한다. k1과 k-1은 각각 첫 번째 단계의 정반응과 역반응 속도상수이고, k2는 두 번째 단계의 정반응 속도상수이다. 두 번째 단계에서 일어나는 역반응은 무시하며 효소와 기질이 빠르게 평형을 이루므로 속도 결정 단계는 생성물 형성 단계라고 가정한다. 이 메커니즘에 대한 P의 생성속도는 [ES]에 대해 정류 상태 근사법을 적용해 유도한다. ES가 생성되는 속도인 k1[E][S]와 분해되는 속도인 k-1[ES]+k2[ES]가 같다고 가정해 [ES]의 변화속도를 0으로 보고 푼다.
(다) 반응속도는 대부분 온도가 증가함에 따라 증가한다. 온도가 10℃ 상승하면 반응속도는 약 2배가 된다. 1889년 아레니우스는 속도상수가 온도의 역수의 지수함수 형태라고 제안했다.
아레니우스는 분자가 충돌해 반응하려면 충분히 ‘활성화’돼야 한다고 생각해 Ea를 활성화 에너지라고 했다. A는 반응물이 생성물로 변환되기 위해 적절한 배향을 갖는 충돌분율과 충돌빈도가 고려된 상수로 잦음률이라 부른다. 서로 다른 두 온도에서 속도상수 값이 알려져 있으면 아레니우스 식을 이용해 반응의 활성화 에너지 값을 구할 수 있다.
(라) 평형을 이루는 반응계에 변화를 주면 반응계가 처음과 다른 새로운 평형에 이른다. 평형 이동의 원리를 알면 원하는 방향으로 화학반응이 일어나게 하는 데 이용할 수 있다. 1884년 프랑스 화학자 르 샤틀리에는 ‘어떤 가역반응이 평형 상태에 있을 때 농도, 압력, 온도의 조건을 변화시키면 변화의 영향을 줄이려는 방향으로 평형이 이동해 새로운 평형에 도달한다’는 평형 이동에 관한 법칙을 발표했다. 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동의 법칙이라고 한다.
반응 물질을 첨가하거나 생성 물질을 제거하면 생성 물질이 증가하는 쪽(정반응)으로 반응이 진행돼 새로운 평형에 도달한다. 반대 경우에는 반응 물질이 증가하는 쪽(역반응)으로 반응이 진행돼 새로운 평형에 도달한다. 기체 물질 사이의 평형에서는 압력을 증가시키면 분자 수가 감소하는 쪽으로 반응이 진행되고 압력을 감소시키면 분자 수가 증가하는 쪽으로 반응이 진행된다. 농도나 압력에 의한 평형 이동에서 평형상수는 변화하지 않는다. 반면 평형상태에서 온도가 상승하면 반응속도가 상승하고 흡열반응 쪽으로 평형이 이동한다. 이때 정반응이 흡열반응이라면 평형상수가 증가하며 역반응이 흡열반응이라면 평형상수가 감소한다. 온도가 하강하면 발열반응 쪽으로 평형이 이동하며 정반응이 발열반응이면 평형상수가 증가한다. 역반응이 발열반응인 경우 평형상수가 감소한다. 정촉매를 가하면 정반응뿐만 아니라 역반응의 활성화 에너지도 동시에 감소된다.
전문가 클리닉
이번 호는 마이클리스-멘텐 식과 아레니우스 식을 다룹니다. 효소는 반응을 촉매하면서 기질과 일시적으로 결합하기 때문에 효소의 입체 구조는 촉매 기능과 밀접한 관계를 가집니다. 또 반응 물질과 결합해 새로운 산물을 만든 뒤 다른 기질과 결합해 반응을 반복하므로 효소에 의한 화학반응은 빠르게 일어납니다. 마이클리스-멘텐 식은 효소 반응을 속도론적인 관점에서 단순화한 식입니다. 1)과 2)는 마이클리스-멘텐 식의 유도 과정을 정확하게 이해하고 수식의 의미를 추론해 내는 문제입니다.
화학반응은 반응속도론적인 관점과 열역학적인 관점으로 나눌 수 있습니다. 열역학적으로 가능한 반응은 깁스자유에너지 변화가 음수값을 가질 때 자발적으로 일어납니다. 열역학적인 관점에서 자발적으로 일어나는 반응이 실제로 반응이 잘 일어나지 않는 경우가 있습니다. 반응속도가 너무 느리기 때문입니다.
3)과 4)는 아레니우스 식을 이용해 풀이합니다. 풀이 과정을 통해 계산 능력을 알아보고 반응속도를 증가시키는 방법을 수학적으로 추론해 낼 수 있는지 평가하는 문제입니다.
마지막 문제는 반응속도와 평형 이동에 영향을 주는 요인을 알아보고 이를 단열 상황에 적용하는 능력을 평가합니다.
4) 열역학적으로 자발적인 화학반응이 일어날 수 있더라도 반응속도가 너무 느리면 반응이 거의 일어나지 않는다. 제시문 (다)에 나온 아레니우스 식에 의하면 화학반응의 활성화 에너지가 너무 높거나 반응이 일어나기에 온도가 너무 낮으면 반응속도 상수가 매우 작아져 반응이 거의 진행되지 않는다. 이런 반응에서 반응속도를 증가시켜 반응이 진행되게 하기 위해서는 정촉매를 사용해 활성화 에너지를 낮추거나 온도를 높여 반응속도상수를 크게 해야 한다.
5) 2NO2(g)↔N2O4(g)는 발열반응이므로 단열조건에서 압력을 가해 부피를 감소시키면 평형이 깨지면서 르 샤틀리에의 원리에 따라 기체 몰수가 감소하는 방향으로 평형이 이동한다. 정반응이 우세하게 일어나며 발열반응이 일어나는데 외부와 열출입을 차단했기 때문에 방출된 열에 의해 반응계 온도가 높아진다. 따라서 반응속도가 빨라지고 새로운 평형에 도달하는 시간이 단열조건이 아닌 때보다 빨라진다. 온도가 상승하면서 평형상수가 감소하므로 새로운 평형상수에 맞게 반응이 진행돼 새로운 평형에 도달한다.
마이클리스-멘텐식과 르 샤틀리에의 원리를 알고 화학평형과 반응속도를 이해해 봅시다.
Q1
다음 제시문을 읽고 물음에 답하라.
(가) 생명체가 살아가기 위해서는 생체 내에서 많은 종류의 화학반응이 일어나야 한다. 영양분을 섭취해 필요한 에너지로 바꾸고 생체구조물을 만들며 신호를 전달하는 모든 과정은 화학반응을 통해 일어난다. 효소는 이런 과정이 효율적으로 일어나게 하는 생화학적 촉매다. 효소는 활성화 에너지를 낮춰 생물체 안에서 화학반응이 빠르고 쉽게 일어나도록 돕는다. 효소는 대개 분자량이 2만g/몰 이상인 거대한 단백질 분자다.
효소 표면에는 특정한 기질만이 결합해 화학변화를 일으키는 특징적인 구조와 화학적 성질을 가진 부분이 있다. 이를 활성화 자리(active site)라고 한다. 많은 효소의 활성화 자리는 매우 선택적이며 구조가 유사한 분자라도 다른 분자와는 결합하지 않는다.
(나) 효소 촉매 반응은 다음과 같이 단순하게 나타난다.
여기서 E는 효소, S는 효소가 작용하는 기질, P는 반응의 최종산물, ES는 효소-기질 복합체를 의미한다. k1과 k-1은 각각 첫 번째 단계의 정반응과 역반응 속도상수이고, k2는 두 번째 단계의 정반응 속도상수이다. 두 번째 단계에서 일어나는 역반응은 무시하며 효소와 기질이 빠르게 평형을 이루므로 속도 결정 단계는 생성물 형성 단계라고 가정한다. 이 메커니즘에 대한 P의 생성속도는 [ES]에 대해 정류 상태 근사법을 적용해 유도한다. ES가 생성되는 속도인 k1[E][S]와 분해되는 속도인 k-1[ES]+k2[ES]가 같다고 가정해 [ES]의 변화속도를 0으로 보고 푼다.
(다) 반응속도는 대부분 온도가 증가함에 따라 증가한다. 온도가 10℃ 상승하면 반응속도는 약 2배가 된다. 1889년 아레니우스는 속도상수가 온도의 역수의 지수함수 형태라고 제안했다.
아레니우스는 분자가 충돌해 반응하려면 충분히 ‘활성화’돼야 한다고 생각해 Ea를 활성화 에너지라고 했다. A는 반응물이 생성물로 변환되기 위해 적절한 배향을 갖는 충돌분율과 충돌빈도가 고려된 상수로 잦음률이라 부른다. 서로 다른 두 온도에서 속도상수 값이 알려져 있으면 아레니우스 식을 이용해 반응의 활성화 에너지 값을 구할 수 있다.
(라) 평형을 이루는 반응계에 변화를 주면 반응계가 처음과 다른 새로운 평형에 이른다. 평형 이동의 원리를 알면 원하는 방향으로 화학반응이 일어나게 하는 데 이용할 수 있다. 1884년 프랑스 화학자 르 샤틀리에는 ‘어떤 가역반응이 평형 상태에 있을 때 농도, 압력, 온도의 조건을 변화시키면 변화의 영향을 줄이려는 방향으로 평형이 이동해 새로운 평형에 도달한다’는 평형 이동에 관한 법칙을 발표했다. 이를 르 샤틀리에의 원리 또는 평형 이동의 법칙이라고 한다.
반응 물질을 첨가하거나 생성 물질을 제거하면 생성 물질이 증가하는 쪽(정반응)으로 반응이 진행돼 새로운 평형에 도달한다. 반대 경우에는 반응 물질이 증가하는 쪽(역반응)으로 반응이 진행돼 새로운 평형에 도달한다. 기체 물질 사이의 평형에서는 압력을 증가시키면 분자 수가 감소하는 쪽으로 반응이 진행되고 압력을 감소시키면 분자 수가 증가하는 쪽으로 반응이 진행된다. 농도나 압력에 의한 평형 이동에서 평형상수는 변화하지 않는다. 반면 평형상태에서 온도가 상승하면 반응속도가 상승하고 흡열반응 쪽으로 평형이 이동한다. 이때 정반응이 흡열반응이라면 평형상수가 증가하며 역반응이 흡열반응이라면 평형상수가 감소한다. 온도가 하강하면 발열반응 쪽으로 평형이 이동하며 정반응이 발열반응이면 평형상수가 증가한다. 역반응이 발열반응인 경우 평형상수가 감소한다. 정촉매를 가하면 정반응뿐만 아니라 역반응의 활성화 에너지도 동시에 감소된다.
전문가 클리닉
이번 호는 마이클리스-멘텐 식과 아레니우스 식을 다룹니다. 효소는 반응을 촉매하면서 기질과 일시적으로 결합하기 때문에 효소의 입체 구조는 촉매 기능과 밀접한 관계를 가집니다. 또 반응 물질과 결합해 새로운 산물을 만든 뒤 다른 기질과 결합해 반응을 반복하므로 효소에 의한 화학반응은 빠르게 일어납니다. 마이클리스-멘텐 식은 효소 반응을 속도론적인 관점에서 단순화한 식입니다. 1)과 2)는 마이클리스-멘텐 식의 유도 과정을 정확하게 이해하고 수식의 의미를 추론해 내는 문제입니다.
화학반응은 반응속도론적인 관점과 열역학적인 관점으로 나눌 수 있습니다. 열역학적으로 가능한 반응은 깁스자유에너지 변화가 음수값을 가질 때 자발적으로 일어납니다. 열역학적인 관점에서 자발적으로 일어나는 반응이 실제로 반응이 잘 일어나지 않는 경우가 있습니다. 반응속도가 너무 느리기 때문입니다.
3)과 4)는 아레니우스 식을 이용해 풀이합니다. 풀이 과정을 통해 계산 능력을 알아보고 반응속도를 증가시키는 방법을 수학적으로 추론해 낼 수 있는지 평가하는 문제입니다.
마지막 문제는 반응속도와 평형 이동에 영향을 주는 요인을 알아보고 이를 단열 상황에 적용하는 능력을 평가합니다.
4) 열역학적으로 자발적인 화학반응이 일어날 수 있더라도 반응속도가 너무 느리면 반응이 거의 일어나지 않는다. 제시문 (다)에 나온 아레니우스 식에 의하면 화학반응의 활성화 에너지가 너무 높거나 반응이 일어나기에 온도가 너무 낮으면 반응속도 상수가 매우 작아져 반응이 거의 진행되지 않는다. 이런 반응에서 반응속도를 증가시켜 반응이 진행되게 하기 위해서는 정촉매를 사용해 활성화 에너지를 낮추거나 온도를 높여 반응속도상수를 크게 해야 한다.5) 2NO2(g)↔N2O4(g)는 발열반응이므로 단열조건에서 압력을 가해 부피를 감소시키면 평형이 깨지면서 르 샤틀리에의 원리에 따라 기체 몰수가 감소하는 방향으로 평형이 이동한다. 정반응이 우세하게 일어나며 발열반응이 일어나는데 외부와 열출입을 차단했기 때문에 방출된 열에 의해 반응계 온도가 높아진다. 따라서 반응속도가 빨라지고 새로운 평형에 도달하는 시간이 단열조건이 아닌 때보다 빨라진다. 온도가 상승하면서 평형상수가 감소하므로 새로운 평형상수에 맞게 반응이 진행돼 새로운 평형에 도달한다.
