R이 목적생산물인 반응(A \xrightarrow{1} R \xrightarrow{2} S)의 활성화 에너지가 E 1 ＜E 2 일 경우, 반응에 대한 설명으로 옳은 것은?

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1[화공기사 필기] 20년 3회차

R이 목적생산물인 반응( $A \xrightarrow{1} R \xrightarrow{2} S$ )의 활성화 에너지가 E₁＜E₂ 일 경우, 반응에 대한 설명으로 옳은 것은?

공간시간(τ)이 상관없다면 가능한 한 최저온도에서 반응시킨다.

등온 반응에서 공간시간(τ) 값이 주어지면 가능한 한 최고 온도에서 반응시킨다.

온도 변화가 가능하다면 초기에는 낮은 온도에서, 반응이 진행됨에 따라 높은 온도에서 반응시킨다.

온도 변화가 가능하더라도 등온 조작이 가장 유리하다.

해설

공간시간에 제약이 없다면 가능한 한 낮은 온도에서 반응시켜야 목적물 R을 가장 많이 얻는다.
이 반응은 A가 1단계로 R이 되고 R이 다시 2단계로 S가 되는 직렬반응이라 목적물 R이 중간체다. 중간체의 최대 수율은  $\dfrac{C_{R,\max}}{C_{A0}}=\left(\dfrac{k_1}{k_2}\right)^{k_2/(k_2-k_1)}$  이므로 k₁/k₂ 가 클수록 R이 많이 남는다.
 $\dfrac{k_1}{k_2}=\dfrac{A_1}{A_2}\exp\!\left(\dfrac{E_2-E_1}{RT}\right)$  인데 E₁＜E₂ 라서 지수의 분자가 양수다. 즉 온도를 낮출수록 k₁/k₂ 가 커진다. 다만 저온에서는 반응이 느려 필요한 공간시간이 길어지므로, 공간시간을 얼마든지 늘릴 수 있을 때에만 최저온도가 최선이 된다.
등온이면서 공간시간이 정해진 경우에 온도를 최고로 올리면 활성화에너지가 큰 R→S 쪽이 더 크게 가속되어 R이 S로 넘어가 버린다. 이때는 주어진 공간시간 안에서 R이 최대가 되는 중간 온도가 있을 뿐이다.
반응 후반은 R이 가장 많이 쌓여 있는 구간이므로, 진행될수록 온도를 올리는 조작은 하필 손실이 가장 커지는 시점에 R→S 를 가속하는 셈이다.

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