반응 지수

화학열역학에서 반응 지수(, Qr 또는 Q)는 특정 시점에서 잘 정의된 전체 화학량론을 가진 반응 혼합물에 존재하는 생성물과 반응물의 상대적인 양을 측정하는 데 사용되는 무차원 양이다. 수학적으로, 이것은 화학 반응에 관여하는 생성물 종의 활동도(또는 몰 농도)와 반응물 종의 활동도 비율로 정의되며, 농도의 지수로서 반응의 화학량론적 계수를 고려한다. 평형 상태에서 반응 지수는 시간에 따라 일정하며 평형 상수와 같다.

반응물 A의 α 몰과 반응물 B의 β 몰이 반응하여 생성물 R의 ρ 몰과 생성물 S의 σ 몰을 생성하는 일반적인 화학 반응은 다음과 같이 쓸 수 있다.
\it \alpha\,\rm A{} + \it \beta\,\rm B{}  <=> \it \rho\,\rm R{} + \it \sigma\,\rm S{}.

비록 많은 경우 한쪽의 모든 반응물이 다른 쪽으로 전환된 것처럼 보일 수 있지만, 이 반응은 평형으로 쓰여진다. A, B, R, S의 초기 혼합물이 만들어지고 반응이 진행될 때(정방향 또는 역방향), 시간 t의 함수로서 반응 지수 Qr은 다음과 같이 정의된다.

여기서 {X}t는 시간 t에서의 종 X의 순간 활동도를 나타낸다.특정 상황( 화학 평형 참조)에서 {A}와 같은 각 활동도 항은 농도 항 [A]로 대체될 수 있다. 반응 지수와 평형 상수 모두 농도 지수가 된다.
간결한 일반 정의는 다음과 같다.

여기서 Пj는 모든 j-색인 변수에 대한 곱을 나타내고, aj(t)는 시간 t에서의 종 j의 활동도이며, νj는 화학량론적 숫자(생성물의 경우 +1, 출발 물질의 경우 -1을 곱한 화학량론적 계수)이다.

 K (평형 상수)와의 관계 
시간이 지남에 따라 반응이 진행됨에 따라 종의 활동도, 즉 반응 지수는 화학 시스템의 자유 에너지를 감소시키는 방식으로 변화한다. 변화의 방향은 다음 관계에 따라 반응의 깁스 자유 에너지에 의해 결정된다.
,
여기서 K는 초기 조성에 독립적인 상수이며, 평형 상수로 알려져 있다. ΔrG < 0일 때 반응은 정방향(Qr의 더 큰 값 쪽으로)으로 진행되거나, ΔrG > 0일 때 역방향(Qr의 더 작은 값 쪽으로)으로 진행된다. 결국, 반응 혼합물이 화학 평형에 도달하면 구성 요소의 활동도(따라서 반응 지수)는 일정한 값에 접근한다. 평형 상수는 반응 지수가 접근하는 점근 값으로 정의된다.
 and .

이 과정의 시간 척도는 정방향 및 역방향 반응의 속도 상수에 따라 달라진다. 원칙적으로 평형은 t → ∞에서 점근적으로 접근한다. 실제로는 사용되는 분석 기구 및 방법에 대해 평형화 종의 농도가 더 이상 눈에 띄게 변하지 않을 때 평형이 실질적으로 도달한 것으로 간주된다.

모든 구성 요소가 단위 활동도를 가지는, 즉 표준상태에 있는 반응 혼합물로 초기화되면,
 and .

이 양 ΔrG°는 표준 반응 깁스 자유 에너지라고 불린다.표준 반응 자유 에너지는 화학량론을 고려하여 생성물의 표준 생성 깁스 자유 에너지 합계와 반응물의 표준 생성 자유 에너지 합계의 차이를 사용하여 결정할 수 있다. .

모든 반응은 얼마나 유리하든지 간에 평형 과정이지만, 실용적으로 말하면 특정 분석 기술로 특정 지점 이후에 출발 물질이 감지되지 않으면 반응은 완료된 것으로 간주된다.

 생화학에서 
생화학에서 반응 지수는 종종 질량 작용 비율이라고 불리며 기호 로 표시된다.

 응용 
반응 지수는 평형 화학 반응의 방향과 정도를 예측하는 데 사용될 수 있다. 평형 상태에서 반응 지수(Q)는 반응의 평형 상수(K)와 같으며, 이때 Q = K이다. 만약 Q > K이면 반응물 형성이 유리하다. 이는 Q의 분자와 분모의 비율이 K의 비율보다 커서 평형 상태보다 생성물이 더 많다는 것을 나타내기 때문이다. 르 샤틀리에의 원리가 시스템이 평형을 향하는 경향이 있다고 명시하므로, 평형은 역방향으로 이동하여 생성물 형성을 선호한다. 마찬가지로, Q < K일 때 생성물 형성이 유리하며 반응은 정방향으로 진행된다.

 각주 

분류:물리화학
분류:평형화학