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1. 균일 회분계 반응기에서의 속도식 도출 실험
1.1. 실험 목적
이 실험의 목적은 균일 회분계 반응기에서의 속도식을 도출하는 것이다. 구체적으로 비가역 반응과 가역반응을 고찰하고 반응차수를 찾아내며, 온도에 따른 속도상수의 변화를 통해 활성화에너지와 빈도인자를 구하는 것이다. 이를 통해 반응속도식을 완성하고 회분반응기, 플러그흐름반응기(PFR), 혼합흐름 반응기와 같은 반응기 설계에 활용할 수 있는 기초자료를 얻는 것이 목적이다.""
1.2. 실험 이론
1.2.1. 반응 속도론의 중요성
반응 속도론의 중요성은 다음과 같다.""
반응 속도론은 반응계의 성질을 파악하고, 화학반응에서 화학결합이 어떻게 형성되고 깨어지는지를 이해하는 데 도움을 준다. 이를 통해 화학결합의 상대적인 강도와 화합물의 분자구조를 알 수 있다. 또한 반응 속도론은 연소와 용해 등의 중요한 이론의 기본이 되며, 열전달과 물질전달 연구 방법의 토대가 된다. 화학공학자에게 반응 속도론은 장비 설계를 위해 필수적인 지식이다.""
1.2.2. 반응 속도 정의 및 특성
일반적으로 반응 속도는 단위 시간당 반응물의 소모량 또는 생성물의 생성량으로 정의된다. 화학 반응에서 반응 속도는 반응물의 농도 변화율, 즉 (-dCA/dt)로 나타낼 수 있다. 여기서 CA는 반응물 A의 농도를 의미한다.
반응 속도의 특성은 다음과 같다. 첫째, 반응 속도는 시간의 함수이다. 반응이 진행됨에 따라 반응물의 농도가 감소하고 생성물의 농도가 증가하므로, 반응 속도는 시간에 따라 변화한다. 둘째, 반응 속도는 온도에 의해 크게 영향을 받는다. 일반적으로 온도가 높을수록 반응 속도가 증가한다. 셋째, 반응 속도는 농도에 의해 영향을 받는다. 반응물의 농도가 높을수록 반응 속도가 증가한다. 넷째, 반응 속도는 촉매에 의해 영향을 받는다. 촉매는 반응 경로를 변화시켜 활성화 에너지를 낮추어 반응 속도를 증가시킨다. 다섯째, 반응 속도는 압력에 의해 영향을 받는다. 기체 반응의 경우 압력이 높을수록 반응 속도가 증가한다.
이와 같은 반응 속도의 특성을 고려하여 반응 속도식을 도출하고 반응 속도 자료를 분석하면 반응의 메커니즘을 이해하고 반응기 설계에 활용할 수 있다.
1.2.3. 적분법, 미분법, 초기속도법, 넘침 방법
적분법은 가정된 반응 차수에 따라 시간에 따른 반응물 농도 변화를 적분하여 그래프를 작성하고, 이를 통해 실제 반응이 가정된 차수와 일치하는지 확인하는 방법이다. 0차, 1차, 2차 반응에 대해 각각 적분하면 직선의 기울기로부터 속도 상수를 구할 수 있다.
미분법은 실험 데이터의 미분을 통해 반응 차수와 속도 상수를 직접 계산하는 방법이다. 비가역 반응의 경우 ...
