오랜만에 화학글 하나 날립니다. 한동안 임시저장 리스트에 품고 있던 녀석인데, 이제 놓아줄 때도 된 것 같아서요. 오늘 이야기할 반응은 화학 동역학에서 꽤나 중요한 위치를 차지하고 있는 흥미로운 반응입니다. 아마 아시는 분도 많이 계시지 않을까 싶네요.

자, 일단 비디오 한 편 감상하시고 시작해볼까요?

비디오 보기

이건 뭥미? 라는 생각이 드시죠? -_-;; 이 비디오는 벨루소프-자보틴스키 반응(줄여서 BZ 반응)이라는 유명한 화학반응을 이용한 용액의 색 변화를 촬영한 것입니다. 비디오를 보시면 주황색 용액 가운데 녹색 띠와 같은 것이 원형파를 그리면서 전파되는 것을 보실 수 있는데요, 실제로 어떤 물질이 흘러가는 건 아니랍니다.

쉬운 예를 들자면 매스 게임과 같은 것이죠. 한 면에는 빨간색, 한 면에는 녹색이 칠해진 판을 들고 운동장에 애들이 바글바글 모여있다고 생각해봅시다. 선생님의 신호에 따라 어떤 애는 빨간색, 어떤 애는 녹색 면을 위로 쳐듭니다. 이걸 박자에 맞춰서 잘 조절하면 마치 색깔이 퍼져 나가는 것처럼 볼 수 있겠죠? 똑같은 상황이랍니다. ^^

앞의 비디오로 돌아가면, 용액 속 분자들은 제자리에 서서 자신의 색깔만 주황색에서 녹색으로, 다시 주황색으로 바꿔주는 거라는 얘깁니다. 흥미로운 것은, 분자들의 이 매스게임에는 선생님도 없고 지도자도 없다는 것입니다. 분자들이 지 혼자 알아서 색을 바꾼다는 것이죠. 신기하지 않나요?

BZ 반응을 포함해 시간에 맞춰 알아서 색을 바꾸는 반응들을 '시계 반응(clock reaction)'이라고 합니다. 예전에 일반화학 실험을 할 때 이걸 한 번 실험해봤는데요, 한 치의 오차도 없이 정확하게 시간마다 지 혼자 색을 바꾸더라고요. 이런 식으로요. :) 그래서 '시계' 반응이라고 부릅니다.

이런 반응이 어떻게 가능할까요? 혹시 화학을 좀 공부해보신 분이라면 "화학 반응은 평형을 이루는 방향으로 움직인다."라는 말을 기억하실지 모르겠습니다. 일반적으로 이 명제는 항상 성립합니다. 예를 들어, 종이를 태우는 반응을 봅시다. 종이가 타는 동안에는 계속 불꽃이 일고 타닥타닥 소리가 납니다만, 종이가 다 타버리고 나면 잠잠해지죠. 그 다음에는 뭔가 해주지 않는 한 아무 일도 일어나지 않습니다. 이걸 화학 반응의 관점에서 보자면 다음과 같습니다. 종이에 불을 붙인 순간 이 녀석들은 평형에서 저만치 멀리 끌려가게 됩니다. 그럼 평형을 이루기 위해서 반응을 진행시키는데, 이것이 바로 종이가 계속 타는 과정입니다. 평형에 이르는 것은 언제일까요? 네, 종이가 다 타고 재만 남았을 시점입니다. 그 이후에는 아무런 일도 일어나지 않죠. 이미 평형에 이르렀으니까요.

흥미롭게도 BZ 반응이 가능한 것은 "평형을 이루지 못하기 때문"입니다. 음... 뭐라고 비유하면 좋을까요. 시계추로 비교해볼까요? 시계추가 똑딱거리면서 계속 갈 수 있는 것도 평형을 이루지 못하기 때문이죠. 시계추 입장에서 평형 상태는 가장 낮은 위치, 즉 정중앙입니다만 막상 그 위치에 도착했을 때는 관성이 있어서 반대쪽으로 올라가버리죠. 아래 그림에서 얘기하자면 3번 위치가 평형 위치입니다만, 1에서 올 때는 오른쪽 방향으로 관성이 있어서, 5에서 올 때는 왼쪽 방향으로 관성이 있어서 거기 안 멈추죠.


마찬가지입니다. BZ 반응에서도 상태가 두 개(주황색 상태, 녹색 상태) 있고요, 각 상태의 중간 어디메에 평형 상태가 있습니다. 주황색 상태에서 녹색 상태로 갈 때나 녹색 상태에서 주황색 상태로 갈 때는 이미 '관성'이 붙어버려서 중간 어디메에 멈출 수 없고, 결국 계속 평형 상태에 도달하지 못하고 왔다갔다 하게 되는 것이지요. 화학 반응 중에도 이런 것이 있다니 참 재미있지 않나요? :)

p.s. 쵸큼 어려운 얘기: 제가 지금 상미방 수업을 들은지 한참 되어서 용어는 다 까먹었습니다만, 비선형 상미방의 해를 찾기 위해 trajectory를 그리면 어떤 경우에는 한 점으로 수렴하고 어떤 경우에는 발산하지만 어떤 경우에는 빙글빙글 도는 폐곡선을 만들죠. BZ 반응은 이 경우에 해당합니다. 실제로 반응에 참여하는 물질들의 농도를 미지수로 두고 미방을 풀어보면 정확히 그런 결과를 얻을 수 있습니다^[1]. :)