과학연구

일반화된 화학운동학곡선방정식

 2019.10.7.

경애하는 김정은동지께서는 다음과 같이 말씀하시였다.

《자연과학부문에서는 식량문제, 에네르기문제를 비롯하여 인민경제발전과 국방력강화에서 절박하게 나서는 과학기술적문제들을 푸는데 적극 이바지하며 기초과학과 첨단과학기술부문에서 세계적인 경쟁력을 가진 연구성과들을 내놓아야 합니다.》

경애하는 김정은동지의 말씀을 높이 받들고 우리는 화학운동학실험자료를 처리하는데서 기초적의의를 가지는 속도방정식에 대한 연구를 진행하였다.

운동학실험자료처리의 속도와 정확성은 기초모형의 간결성과 과학성에 의하여 담보된다. 우리는 화학운동학에서 기초를 이루는 속도방정식과 그것을 응용하는데서 제기되는 문제점들을 밝히기 위한 연구를 하였다.

지금까지 속도방정식에 들어있는 반응차수와 속도상수를 구하는 방법은 많이 알려져있다. 반응운동학자료를 검토하는데 적분법이 널리 리용되고있으며 또한 미분법을 리용한 실례도 있다.

반응물이 둘이상인 경우에는 흔히 경험적인 속도방정식에 기초하여 각이한 반응차수들에 대하여 적분한 식들을 얻고 거기에 실험자료를 넣어보는 방법과 다른 반응물들의 농도를 고정시키고 매 반응물의 반응차수들을 따로따로 결정하는 방법을 널리 쓰고있다. 적분법을 리용하여 반응차수를 결정해보면 반응차수는 옹근수가 아니며 같은 종의 반응일지라도 조건에 따라 반응차수가 변한다. 이것은 같은 종의 반응에 대해서도 속도상수값을 비교해보는데서 문제가 있다는것을 의미한다. 이러한 원리적인 약점을 극복하려면 반응속도와 속도상수의 본을 일치시켜야 한다.

한편 반응생성물은 같지만 반응물림새가 다르면 속도법칙이 달라지게 된다. 반응물림새를 밝히는 문제는 주목하는 촉매상에서 일어나는 반응에 대한 운동학방정식을 꾸미는데서만이 아니라 촉매의 성능을 개선하고 새로운 촉매를 개발하기 위한 과학연구사업에서도 중요한 의의를 가진다. 주어진 촉매반응을 운동학적으로 연구할 때 많은 경우에 이러저러한 반응물림새를 가정하여 꾸민 속도방정식을 리용하게 된다. 그러나 만일 반응물림새에 따라서 파라메터만이 변하는 간편하고 보편적인 운동학방정식이 있다면 물림새를 가정하는 일이 없이 실험적으로 결정한 파라메터값으로부터 물림새를 알아낼수 있을것이다. 이러한 운동학모형을 꾸미는것이 운동학전문가들의 리상일것이며 그 모형을 리용하는 일반화학자들에게는 더없이 편리할것이다.

그러나 운동학실험자료만 가지고 반응물림새를 밝히려면 초기조건을 폭넓게 변화시키면서 여러차례의 운동학실험을 반복하여야 하며 그로부터 반응출발물질들의 반응차수를 따로따로 결정해보고 반응차수의 변화거동으로부터 물림새를 판단하여야 한다. 운동학실험의 품을 줄이자면 수명이 매우 짧은 흡착종들을 확인하여야 하는가 하는데 적지 않은 경우 그 자체도 많은 품을 들여야 하는 새로운 연구과제로 될수 있다.

그러므로 우리는 가능한 거의 모든 반응물림새를 반영하는 일반화된 반응속도모형과 적분형운동학방정식 x=t/(b+at)을 제기하고 그것이 반응물림새와 어떻게 련관되는가를 해석적으로 밝히고 계산모의실험을 통하여 확정하였다. 이 모형은 물생성반응(WFR)과 메탄이산화탄소갱질반응(methane reforming with carbon dioxide)과 같은 각이한 불균일촉매반응들뿐아니라 열분해반응(thermal decomposition), 흡착반응(adsorption reaction)과 같은 기타 화학반응들에 응용될수 있다.