에너지를 방출하는 반응이 저절로 일어나지 않는 이유
에너지를 방출하는 반응이 일어나면 에너지의 일부가 주위로 방출되면서 물질이 만들어지기 때문에, 반응이 일어난 후에 생성된 물질은 반응 전보다 안정된 상태를 유지한다. 그러므로 에너지를 방출하는 반응은 쉽게 일어날 수 있다. 그러나 나무가 스스로 불꽃을 내면서 타지 않는 것처럼, 열이 많이 발생하는 연소 반응도 저절로 일어나지는 않는다. 나무를 태우려면 먼저 불을 이용하여 가열해 주어야 한다.
물질에 화학 반응이 일어나기 위해서는 먼저 기존의 물질 속에서 합쳐져 있던 원자들 사이의 결합이 끊어져야 한다. 이 결합을 끊기 위해서는 일정량의 에너지가 필요하다. 다시 말해, 에너지를 방출하는 반응이라도 새로운 물질이 만들어지려면 먼저 에너지를 흡수해야 하는 것이다.
이 때 반응 물질이 흡수하는 에너지를 '활성화 에너지'라고 한다. 이렇게 반응 물질이 에너지를 흡수한 상태는 매우 불안정하기 때문에 빠르게 에너지를 방출하면서 새로운 생성 물질이 된다. 아무리 에너지를 많이 방출하여 생성 물질이 안정화되는 반응일지라도, 활성화 에너지가 큰 반응은 쉽게 일어나지 않는다. 반면 활성화 에너지가 작은 반응은 주위에서 열을 조금만 흡수해도 쉽게 일어날 수 있기 때문에 반응이 빠르게 일어난다.
에너지를 방출하는 반응의 경우에는 반응에 필요한 최소한의 활성화 에너지만 공급하면, 그 이후는 에너지를 방출하면서 안정한 낮은 에너지 상태의 생성 물질이 되는 반응이 빠르게 일어날 수 있다. 그러나 에너지를 흡수하는 반응의 경우에는 활성화 에너지를 공급하고도 불안정한 높은 에너지 상태의 생성 물질이 되기 위해서 계속적으로 에너지를 공급해 주어야 하기 때문에 반응이 빠르게 일어나지 않는다.
이러한 활성화 에너지의 크기를 변화시켜 반응의 속도를 조절하기 위해 촉매를 사용한다. 우리가 흔히 소독약으로 사용하는 과산화수소는 수소와 산소로 분해되는 반응을 한다. 과산화수소를 분해하여 산소를 빠르게 모으는 실험을 할 때는 요오드화칼륨과 같은 정촉매를 사용하면 활성화 에너지를 작게 해 산소 발생 반응을 빠르게 할 수 있다. 시판되고 있는 소독용 과산화수소수에는 인산과 같은 부촉매가 소량 혼합되어 있는데, 그것은 과산화수소의 분해 반응을 지연시켜 오래 보관하기 위해서이다.
화학 공업의 발달에서 이러한 촉매의 역할은 매우 크다. 촉매는 소량만 사용하더라도 반응 속도를 빠르게 혹은 느리게 조절해 줄 뿐만 아니라, 반응이 일어나는 동안 촉매 자체는 변하거나 없어지지 않기 때문에 계속해서 사용할 수 있다. 그러므로 반응 과정에 가장 적절한 촉매를 개발하면 많은 경제적 이득을 얻을 수 있다.
활성화 에너지와 반응열
활성화 에너지와 반응열화학 반응이 일어나려면 반응에 참여하는 물질의 결합을 끊기 위해 필요한 최소한의 에너지인 활성화 에너지를 흡수해야 한다.
[네이버 지식백과] 에너지를 방출하는 반응이 저절로 일어나지 않는 이유 (살아있는 과학 교과서, 2011.6.20, 휴머니스트)