반응 중간체
[ reaction intermediate ]
반응물이 생성물로 변화하는 과정 중에 잠시 생성되었다가 사라지는 화학종을 가리키는 중간체 혹은 반응 중간체는 화학적으로 불안정한 상태에 있기 때문에 반응성이 높고, 짧은 시간 동안만 존재한다.
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반응 중간체
전체 화학 반응식에는 나타나지 않는 반응 중간체는 반응을 구성하는 단일 단계 반응에서 생성되었다가 사라진다. 특수한 상황에서는 분리(isolation) 혹은 축적(accumulation)되기도 하지만 보통 직접 관찰하기 어렵지만, 중간체를 추적하면 반응 메커니즘을 이해하는 데 도움이 된다. 대부분 화학 반응은 여러 단일 단계 반응을 거치는데, 반응 중간체는 중간 반응 단계에서만 존재하는 불완전한 생성물이다.
염소에 의한 오존 분해 반응
다음 반응은 지구 오존층에서 일어나는 반응이다.
@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ O3 + O -> 2O2 }@@NAMATH_DISPLAY@@
염소 라디칼이 관여하는 오존 분해 반응은 다음 두 단계 반응으로 기술할 수 있다.
@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ Cl + O3 -> ClO + O2 }@@NAMATH_DISPLAY@@
@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ ClO + O -> Cl + O2 }@@NAMATH_DISPLAY@@
이때 하이포 염소산( @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ClO }@@NAMATH_INLINE@@)은 첫 번째 반응에서 생성되지만 두 번째 반응에서 소멸하여 전체 반응식에는 나타나지 않는 반응 중간체이다. 이때 염소 라디칼(@@NAMATH_INLINE@@\ce{ Cl }@@NAMATH_INLINE@@)은 촉매로 작용한다.
화학 반응 속도론(chemical kinetics)에서는 종종 정류-상태 근사법(steady state approximation)을 도입하여 여러 반응 메커니즘을 기술하는데, 이 근사법의 기본 가정은 반응 과정에서 중간체의 농도가 일정하다는 것이다.
일산화 질소와 산소 분자의 반응
다음과 같이 일산화 질소와 산소 분자가 관여하는 반응을 생각해보자.
@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ 2 NO (g) + O_2 (g) -> 2 NO_2 (g) }@@NAMATH_DISPLAY@@
이 반응이 진행되는 동안 중간 단계에서 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ N_2 O_2 }@@NAMATH_INLINE@@가 생성된다는 것이 관찰되었다. 하지만 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ N_2 O_2 }@@NAMATH_INLINE@@는 전체 반응식에 나타나지 않는다. 실제로 이 반응은 다음 두 단계 단일 단계 반응으로 이루어져 있다.
@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ 2NO(g) -> N_2 O_2 (g) }@@NAMATH_DISPLAY@@
@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ N_2 O_2 (g) + O_2 (g) -> 2 NO_2 (g) }@@NAMATH_DISPLAY@@
@@NAMATH_INLINE@@\ce{ N_2 O_2 }@@NAMATH_INLINE@@는 반응을 구성하는 단일 단계 반응에서만 나타나고, 전체 화학 반응식에서는 나타나지 않는 반응 중간체이다. 일산화 질소는 무색 기체이고 생성물인 이산화 질소는 갈색을 띠는 기체이다.
![]() 갈색을 띄는 이산화 질소가 반응기 안에 포집된 모양 () |
효소 반응에서의 반응 중간체
효소의 촉매 반응 속도를 설명하는 미카엘리스-멘텐 식(Michaelis-Menten equation)은 다음과 같은 효소 (Enzyme, @@NAMATH_INLINE@@\ce{ E }@@NAMATH_INLINE@@)와 기질 (substrate, @@NAMATH_INLINE@@\ce{ S }@@NAMATH_INLINE@@) 사이의 반응 메커니즘을 기반으로 얻어진다.
@@NAMATH_DISPLAY@@\ce{ E + S <=>[k_1][k_{-1}] ES <=>[k_2][k_{-2}] E + P }@@NAMATH_DISPLAY@@
여기서 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ES }@@NAMATH_INLINE@@는 반응물인 기질 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ E }@@NAMATH_INLINE@@와 촉매인 효소 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ S }@@NAMATH_INLINE@@가 결합한 반응 중간체에 해당한다. 첫 번째 반응 (@@NAMATH_INLINE@@\ce{ ES }@@NAMATH_INLINE@@가 생성되는 반응)은 가역 반응이고, 두 번째 반응은]에서 역반응이 일어나지 않는다고 가정한다(@@NAMATH_INLINE@@k_{-2} \approx 0@@NAMATH_INLINE@@).
또한 반응이 진행되는 동안 반응 중간체인 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ES }@@NAMATH_INLINE@@의 농도가 일정하다 (@@NAMATH_INLINE@@{d[\mathrm{ES}] \over dt} \approx 0@@NAMATH_INLINE@@)고 가정할 수 있기에,다음과 같이 정류-상태 근사법이 가능하다.
@@NAMATH_DISPLAY@@{d[\mathrm{ES}] \over dt} = k_{1}[\mathrm{E}][\mathrm{S}] - k_{-1}[\mathrm{ES}] -k_{2}[\mathrm{ES}] = 0@@NAMATH_DISPLAY@@
@@NAMATH_DISPLAY@@\therefore [\mathrm{ES}]={k_1 \over{k_{-1}+ k_{2}}} [\mathrm{E}][\mathrm{S}]={ [\mathrm{E}][\mathrm{S}] \over K_M } @@NAMATH_DISPLAY@@
여기서 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ E }@@NAMATH_INLINE@@의 농도 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ [E] }@@NAMATH_INLINE@@는 다음에서처럼 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ E }@@NAMATH_INLINE@@의 초기 농도 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ [E]_0 }@@NAMATH_INLINE@@에서 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ ES }@@NAMATH_INLINE@@의 농도 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ [ES] }@@NAMATH_INLINE@@의 차이이다. 따라서 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ [ES] }@@NAMATH_INLINE@@는 다음과 같이 쓸 수 있다.
@@NAMATH_DISPLAY@@\therefore [\mathrm{ES}]={[\mathrm{E}]_0 [\mathrm{S}] \over (K_M +[\mathrm{S}] ) } @@NAMATH_DISPLAY@@
따라서 생성물 @@NAMATH_INLINE@@\ce{ P }@@NAMATH_INLINE@@의 생성 속도 (@@NAMATH_INLINE@@{d[\mathrm{P}] \over dt}@@NAMATH_INLINE@@)는 다음과 같은 미카엘리스-멘텐 식으로 얻어진다.
@@NAMATH_DISPLAY@@{d[\mathrm{P}] \over dt} = k_2 [\mathrm{ES}] = k_2{[\mathrm{E}]_0 [\mathrm{S}] \over (K_M +[\mathrm{S}] ) } @@NAMATH_DISPLAY@@
참고 문헌
- 레이먼즈 창의 일반화학 12판 13장 (2018, 사이플러스)
- 이공학도를 위한 물리화학 (원저: Physical Chemistry for the Chemical Sciences by Raymond Chang and John W. Thoman, Jr.) 15장 (2015, 자유아카데미)
동의어
반응 중간체