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화학 반응 속도 실험 보고서

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[일반화학실험] 23. 화학 반응 속도 실험 보고서(레포트)

노랑반숙

1. 목표

화학 반응 속도식의 속도 상수와 반응 차수를 실험적으로 결정한다.

2. 실험 기구&시약

시약 : 3% H2O2, 0.15M KI

기구 : 250㎖ 삼각플라스크, 물통, 기체 부피 측정관 또는 50㎖ 뷰렛, 수위 조절 용기 또는 비커, 25㎖ 눈금 실린더, 10㎖ 눈금 피펫 또는 10㎖ 눈금 실린더, 온도계, 고무관과 고무 마개 2개, 초시계, 시험관

3. 실험 원리

(1) 반응 속도

화학 반응 속도는 반응 물질의 종류, 반응 물질의 농도, 온도, 촉매 등 여러 가지 요인에 의해 영향을 받음

반응 속도는 단위 시간에 감소한 반응물 또는 증가한 생성물의 몰농도로 나타낸다.

평균 반응 속도 : 전체 농도의 변화를 반응이 진행된 전체 시간으로 나눈 것

순간 반응 속도 :

이 되는 어떤 특정한 순간의 반응 속도, 시간-농도 그래프에서 접선의 기울기

(2) 반응 속도식(속도 법칙)과 반응 차수

용액 : 적정을 하거나 흡광도나 전기 전도도, 또는 형광 등을 측정해 시간에 따른 농도의 변화를 측정할 수 있음

기체 : 일정한 압력에서 부피의 변화를 측정할 수 있음

이때 m과 n을 반응차수라고 한다.

(3) 속도상수와 아레니우스식

k : 속도상수

A : 아레니우스 상수

Ea : 활성화 에너지

R : 기체 상수

T : 절대 온도

(4) 적분 속도식

(5) 반응 메커니즘

반응물이 서로 만나 생성물로 변환되는 과정에서는 반응물이나 생성물보다 상대적으로 불안정한 활성화물이 생성된다. 이 활성화물이 만들어지기 위해서는 충분한 에너지를 가진 반응물의 분자들이 많이 있어야 한다.

(6) 활성화 에너지 : 반응이 일어나기 위해 필요한 최소한의 에너지, 활성화 에너지가 클수록 반응 속도는 느려지게 된다.

(7) 실험 반응 : 과산화수소(H2O2)가 물과 산소 기체로 분해되는 반응의 속도를 측정한다.

이 분해 반응의 속도는 매우 느리기 때문에 상온에서는 잘 일어나지 않지만 KI를 촉매로 넣어주면 반응의 속도가 상당히 빨라진다.

반응속도 :

이 실험에서는 과산화 수소의 분해 반응으로 생기는 산소 기체의 양을 측정해서 시간에 따른 산소 기체의 발생량을 그래프로 나타내어서 그 기울기로부터 반응 속도를 알아낸다.

반응이 충분히 진행 된 후에는 반응 용기 속의 반응 물질의 농도가 바뀌기 때문에 반응 속도도 달라지게 되므로 이 실험에서는 반응이 시작된 직후의 속도를 측정해서 원하는 정보를 알아낸다.

초기의 반응 속도 = 그래프의 시작부분에서의 기울기

③ 반응 차수 결정

이 실험에서는 H2O2와 KI의 초기 농도가 다른 경우의 반응 속도를 측정해서 그 결과로부터 반응 차수를 알아낸다.

반응 물질의 전체 양을 일정하게 하면 반응에 사용한 용액의 부피를 농도로 사용할 수 있으며, 이 실험에서는 다음과 같은 세 가지 반응 용액의 부피를 초기 농도로 사용한다.

3% H 2 O 2 (mL) 0.15M KI (mL) 증류수 (mL) 전체 부피 (mL) 반응 1 5 10 15 30 반응 2 10 10 10 30 반응 3 5 20 5 30

속도식은 각각 다음과 같이 표현할 수 있다.

따라서 반응 물질의 농도가 서로 다른 경우의 반응 속도 세 가지를 측정하면 반응 차수 a와 b를 계산할 수 있다.

4. 실험 유의점

H2O2의 분해 반응은 심한 발열 반응이기 때문에 진한 과산화수소 용액을 사용하는 것은 바람직하지 않다.

0.15M KI 용액은 학급 전체에 필요한 양을 미리 만들어 라벨을 붙여 놓는다.

기체 포집 장치가 새지 않는지 확인한다.

피펫은 각 용액별로 따로 사용한다. 피펫 수가 모자라면 깨끗이 씻어 물기를 제거한 다음 다른 용액을 취한다.

사용한 용액은 과량의 물로 희석하여 버린다.

5. 실험 과정

반응 용기와 기체의 부피를 측정하는 장치를 준비한다. 기체 부피를 측정하는 관은 50㎖ 뷰렛을 사용해도 된다. 뷰렛의 위쪽에는 기체가 새어나가지 않도록 연한 고무 마개를 사용한다. 물통에 3~5cm 높이까지 물을 채우고 온도계를 설치한 후, 기체 부피 측정관의 고무 마개를 열고 물을 가득 채운다. 수위 조절 용기의 높이를 조절해서 물 높이가 측정관에 새겨진 눈금의 가장 높은 곳에 오도록 한 후에 마개를 완전히 닫는다. 측정관의 연결부위가 새지 않는가를 확인하고 물 높이를 읽어서 기록한다. 반응 용기에 0.15M KI 10㎖와 증류수 15㎖를 넣고 흔들어주어서 혼합물의 온도가 물통에 담긴 물의 온도와 같아지도록 한다. 3% H2O2 용액 5㎖를 넣고 마개를 막은 다음 잘 흔들어준다. 체온 때문에 반응 용기의 온도가 올라가지 않도록 반응 용기의 끝부분만 잡는 것이 좋다. 약 2㎖의 산소가 발생될 때부터 시간을 재기 시작한다. 발생한 기체에 작용하는 압력이 일정한 상태에서 산소 기체의 부피를 측정해야 하기 때문에 수위 조절 용기의 높이를 기체 부피 측정관의 물 높이에 따라서 움직이면서 산소 기체의 부피를 측정해야 한다. 산소 기체가 2㎖씩 생성될 때마다 걸린 시간을 측정하는 일을 산소 기체의 부피가 14㎖가 될 때까지 반복한다. 다시 반응 용기를 씻은 다음 0.1M KI 20㎖와 증류수 5㎖에 3% H2O2 용액 5㎖를 첨가해서 위의 실험을 반복한다.

6. 실험결과

1. 산소 발생에 걸린 시간(초)

(초로 측정하였음)

산소의 부피 ( ㎖ ) 혼합물 A 혼합물 B 혼합물 C KI 10 ㎖ KI 10 ㎖ KI 20 ㎖ 3% H 2 O 2 5 ㎖ 3% H 2 O 2 10 ㎖ 3% H 2 O 2 5 ㎖ 증류수 15 ㎖ 증류수 10 ㎖ 증류수 5 ㎖ 2.0 – – – 4.0 27.08 26.40 6.0 33.53 12.22 8.0 41.82 20.13 10.0 48.56 35.99 12.0 52.67 38.77 14.0 58.26 41.72

728×90

2. 초기 반응 속도

초기 반응속도는 산소 부피가 2mL에서 4mL로 변할 때의 속도를 구하면 된다.

따라서 아래 식에서 [O2]에 2를 대입해 반응 속도를 구하면 표와 같다.

산소의 부피 ( ㎖ ) 혼합물 A 혼합물 B 혼합물 C 초기 반응 속도 0.1447 mL/s 0.2668 mL/s 0.1669 mL/s

728×90

3. 반응 차수와 속도식

a (H2O2에 대한 반응 차수) : 1

b (KI에 대한 반응 차수) : 1

반응 속도식 : v=k[H2O2][KI]

이론값으로 a=b=1로 알려져 있다. 실험데이터 값을 구하면 대략 1.0xx 정도가 나올 것이다.

4. 반응 용액의 전체 부피가 같을 경우에는 사용한 반응 물질의 부피를 반응 물질의 농도 대신 사용할 수 있는 이유를 설명해 보아라.

몰농도는 몰수/부피이다. 전체 용액의 부피가 같을 경우에는 몰농도는 몰수에 비례한다. 몰수는 결국 사용한 반응물의 부피에 비례하므로 사용한 반응물의 부피를 물질의 농도 대신 사용할 수 있다.

5. 반응 차수에 따라 속도 상수의 단위가 달라짐을 알아보아라.

속도 상수는 속도 법칙에 맞는 단위를 가지므로 반응차수에 따라 그 단위가 달라질 수 있다.

1) 1차 반응일 경우

2) 2차 반응일 경우

SMALL

6. 반응 A보다 반응 B와 C의 온도가 더 높았다면 결과에 어떤 영향을 미치겠는가?

아레니우스식에 의하면 온도가 증가할수록 반응차수가 커진다. 따라서 반응A보다 반응B, C에서의 k가 더 큰 값을 가져 반응차수를 정확히 구하기가 힘들 것이다.

7. H2O2의 분해 반응에 촉매로 작용하는 물질은 어떤 것들이 있는가 알아보자.

카탈레이스 H3PO4, MnO2, NaBr

[자연과학] [실험보고서] 화학 반응 속도 [시계반응]화학실험결과

[자연과학] [실험보고서] 화학 반응 속도 [시계반응]화학실험결과

실험 제목; 화학 반응 속도 (시계반응)

1. 실험 목적

반응 물질의 농도를 달리하여 시계반응으로 속도를 측정하고, 반응속도 상수와 반응차수를 구한다.

2. 실험 이론

① 반응 속도

물체의 운동을 나타낼 때 물체가 얼마나 빠르게 이동하고 있는가에 대한 척도로 속도(velocity)를 이용한다. 화학 반응에 대해서도 반응이 얼마나 빠르게 일어나는가에 대한 척도로 반응 속도(reaction rate)를 사용한다.

반응 속도는 평형과는 엄격히 구분되어야 한다. 그래서 화학자들은 반응 속도 측면에서 안정한 물질(즉, 속도론적으로 안정한 물질)과 평형적 측면에서 안정한 물질(즉, 열역학적으로 안정한 물질)을 구분해서 사용한다.

열역학적으로 안정하지만 분해 속도가 매우 빨라 속도론적으로 불안정해 쉽게 분해되는 물질이 있는 반면, 열역학적으로 불안정해도 분해 속도가 매우 느려 속도론적으로 안정하여 오랫동안 그 상태로 남아있는 다이아몬드와 같은 물질도 있다. 그러므로 반응 속도만으로 물질의 안정성을 판단해서는 안된다.

반응 속도는 단위 시간 동안 반응 물질 또는 생성 물질의 농도 변화량으로 정의되며, M/s(mol/L?sec)의 단위를 갖는다. 또한 화학 반응식만으로 반응 속도에 대해서 언급하게 되면 정확히 어떤 물질의 소멸 속도인지 생성 속도인지 의미가 모호해지기 때문에 어떤 물질의 소멸 속도 혹은 생성 속도를 명시해 주는 것이 좋다.

v

t

t

농

도

생성물

반응물

정반응

역반응

반응 속도를 생성 물질의 농도 변화량이라고 정의하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.

반응속도 = 반응 물질 농도의 변화량 = 생성 물질 농도의 변화량

반응 시간 반응 시간

데, 시간마다 물질의 농도를 측정할 수 없다. 그렇기 때문에 엄밀하게 순간적인 반응 속도를 구하는 것은 불가능하다. 따라서 보통 반응 속도를 측정할 때 여러 가지 근사를 이용하거나 평균적인 값을 이용한다.

– 기체 발생 반응 : 기체가 발생하는 반응은 단위 시간 동안 발생하는 기체의 부피를 측정하거나, 기체 발생으로 인한 단위 시간당 질량의 감소량을 측정하면 반응 속도를 구할 수 있다.

? 부피 측정법

부피 측정법은 염소산칼륨(KClO₃)의 열분해처럼 생성 물질이 기체일 때 주사기나 메스실린더 등을 이용하여 일정 시간 간격으로 발생한 기체의 부피를 측정하여 구한다.

반응 속도(mL/s) = 발생하는 기체의 부피(mL)

반응 시간(s)

발생한 기체의 부피를 이상기체 상태 방정식을 이용하여 반응 속도를 몰 수에 관한 식으로 바꿔주면 mol/s의 단위를 가지는 반응 속도를 구할 수 있다.

? 질량 측정법

질량 측정법은 기체가 발생하는 동안에 발생한 기체가 반응 용기를 빠져나가면 감소한 질량이 발생한 기체의 질량과 같으므로 시간에 따른 질량 변화를 측정하여 반응 속도를 구한다.

반응 속도(g/s) = 감소한 기체의 질량(g)

반응 시간(s)

이 경우도 부피 측정법과 마찬가지로 질량을 기체의 분자량으로 나누어 주면 mol/s의 단위를 가지는 반응 속도를 구할 수 있다.

– 앙금 생성 반응 : 앙금 생성 반응은 일정량의 앙금이 형성될 때까지 걸리는 시간을 측정하여 반응 속도를 구한다. 하지만 이 방법은 절대적인 반응 속도값을 얻을 수 없으며 앙금의 색에 따라 개인 차이가 날 수도 있다.

반응 속도(s?¹) = 1

반응 시간(s)

② 반응 속도 상수와 반응 차수

반응 aA + bB → C에 대한 C의 생성 속도를 반응 속도로 정의하면 다음과 같다.

그렇지만 실험을 통해 반응의 속도를 측정해 보면 다음과 같은 관계로 나타나는데, 이를 반응 속도식이라고 한다.

반응 속도식에서는 k는 속도 상수(reaction constant)라고 하며, 이는 온도에 따라 변하는 값이다. 일반적으로 온도가 높을수록 k값이 커지는 경향이 있다. 반응 속도식에서 m과 n은 각각 A와 B에 대한 반응 차수(order of reaction)라고 한다. 반응 속도식이 이와 같이 나타날 때 이 반응은 A에 대해서 m차 반응, B에 대하여 n차 반응이며, 전체적으로 (m+n)차 반응이라고 한다. 지수인 m, n은 각각 A와 B의 농도 변화에 딸 반응 속도가 어떻게 변하는 지를 알려주는데, 보통은 양의 정수이지만 분수 또는 음수일 수도 있다. 이러한 반응 차수는 실험에 의해서만 결정이 가능하다. 단일 단계 반응일 경우 m, n의 값이 반응식의 계수와 같은 값을 가진다. 하지만 전체 반응식의 경우 여러 개의 단일 단계 반응들이 모여 이루어져 있기 때문에 전체 반응식의 계수가 항상 반응 차수가 된다고 할 수 없다.

농도-시간 그래프의 패턴은 반응 차수에 의해 결정되며, 속도 상수의 단위도 반응 차수에 의해서 결정된다. 단위가 포함된 등식에서는 항상 좌변과 우변의 단위가 같아야 하므로 반응 차수를 알면 속도 상수의 단위를 쉽게 알 수 있다.

반응 속도의 단위는 M/s로 정해져 있는데, 속도 상수 k를 고려하지 않은 상태에서는 반응 속도식의 우변의 단위는 반응 차수에 따라 달라진다. 그러므로 반응 속도 상수 k의 단위를 반응 차수에 따라 다르게 함으로써 양변의 단위가 같아지도록 맞춰준다.

반응 차수

0차

1차

2차

k의 단위

M/s

s?¹

M?¹s?¹

반응이 진행됨에 따라 생성 물질의 농도가 증가하면 역반응도 같이 증가하게 되어 반응이 평형 상태에 도달하게 된다. 이 때문에 초기 속도에 대해서는 실제 속도와 반응 속도식이 잘 맞지만 반응이 진행될수록 실제 속도와 반응 속도식은 큰 차이가 생기게 된다. 즉, 반응 속도식은 항상 초기 반응 속도(t=0에서의 순간 속도)만을 기준으로 생각해야 한다.

앞서 다루었듯이 평형 상수와 달리 반응 차수는 실험적으로 결정해야 한다. 이는 화학 반응식이 aA + bB → C라고 해서 a개의 A분자와 b개의 B분자가 직접 만나서 반응하는 것이 아니기 때문이다. 반응 속도식의 반응 차수는 반응 속도가 물질의 농도의 몇 제곱을 한 것에 비례하느냐에 따라 달라진다. 즉, 반응 속도는 0차 반응에서는 물질의 농도와 무관하고 1차 반응에서는 물질의 농도에 비례하며 2차 반응에서는 물질의 농도의 제곱에 비례한다. 이를 바탕으로 반응 차수가 음수이거나 정수가 아닌 반응 또는 3차 반응에 대해서도 생각해 볼 수 있다. 하지만 3차 반응 이상은 분자 세계에서 일어나기 힘든 반응이며 실제 거의 존재하지 않는다.

[A]?

t

v

농도

0차 반응(v=k)

[A]

t

v

농도

1차 반응(v=k[A])

[A]

t

v

농도

2차 반응(v=k[A]²)

③ 시계반응의 개념

시계 반응은 마치 중화점을 찾는 반응처럼 반응 도중에 갑자기 색이 변해 그것이 마치 자명종처럼 보인다고 해서 붙여진 이름이다. 화학 반응에는 단순한 과정을 거쳐서 일어나는 것도 있지만 여러 가지 반응들이 몇 단계에 걸쳐 일어나는 것도 있는데, 이 원리를 이용한 것이다.

지시약을 같이 넣어두었다가 첫 번째 반응에서 생성되었던 물질과 두 번째 반응에서 반응하는 물질이 모두 소모되면 첫 번째 과정에서 생성되었던 물질이 남게 되어 그것이 지시약의 색을 갑자기 변화시킨다. 그러나 그 전에는 아무런 변화도 느끼지 못한다. 이처럼 갑자기 변하는 반응이 시계와 같다고 해서 시계반응(clock reaction)이라고 하며, 이것으로 반응이 종결되었음을 알 수 있다.

④ 반응 속도에 영향을 주는 인자

유효 충돌의 횟수가 증가할수록 반응 속도는 빨라진다. 충돌 횟수와 관련된 반응 속도를 조절하는 요인에는 반응물의 농도, 반응물의 표면적이 있다.

일반적으로 농도가 진해질수록 반응 속도가 빨라지는데, 농도가 진할수록 단위 부피당 분자의 수가 많아져 분자들의 충돌 횟수가 증가되기 때문이다. 농도가 반응 속도에 영향을 미치는 예는 다음과 같다.

? 금속과 염산이 반응할 때, 묽은 농도의 염산보다 진한 농도의 염산에서 더 빠르게 수소 기체가 발생한다. 이는 농도가 진할수록 단위 부피당 더 많은 양의 수소 이온을 갖고 있어, 금속 양이온의 충돌 횟수가 더 증가하기 때문이다.

? 공기 중보다 순수 산소에서 강철솜의 연소가 더 빠르게 일어난다. 이는 순수 산소 중에 있을 때, 강철솜과 산소 분자의 충돌 횟수가 더 증가하기 때문이다.

반응물이 기체인 경우에는 농도를 사용할 수도 있지만 농도 대신 압력을 사용하는 것이 일반적이다.

고체 물질인 경우에는 표면적이 클수록 반응 속도가 빨라지는데, 이는 접촉 면적이 클수록 다른 분자들과의 충돌 횟수가 증가하기 때문이다. 고체를 작은 조각으로 나눌수록 표면적이 늘어나 충돌 횟수가 증가하기 때문에 반응 속도가 빨라지게 된다.

활성화 에너지와 관련하여 반응 속도를 조절하는 요인으로는 온도와 촉매가 있다.

반응의 활성화 에너지가 일정하다 하더라도 분자가 갖는 에너지 분포는 온도에 따라 달라진다. 즉, 온도가 높아질수록 활성화 에너지보다 더 큰 에너지를 갖는 분자들의 수가 증가하므로 온도가 높아질수록 반응 속도가 빨라진다. 참고로 온도가 10℃ 올라가면 반응 속도는 약 2~3배 정도 빨라진다. 이때 온도가 변하므로 평형 상수도 변하게 된다.

촉매를 이용하여 반응 속도를 조절하는 것은 온도와 약간 다르다. 촉매는 화학 반응에서 반응 메커니즘을 변화시켜 자신은 변화되지 않으면서 활성화 에너지를 증가 또는 감소시켜 반응 속도를 변화시키는 물질이다. 이때 활성화 에너지를 증가시켜 반응 속도를 느리게 하는 촉매를 부촉매라고 하고, 활성화 에너지를 감소시켜 반응 속도를 빠르게 하는 촉매를 정촉매라고 한다. 촉매는 단지 반응이 종결될 때까지의 시간만을 단축시킬 뿐이지 생성 물질의 양을 증가 또는 감소시킬 수는 없다. 즉, 평형 상태에 도달하기까지의 시간이 단축될 뿐 평형 상수는 변하지 않는다.

이번 실험은 화학양론적으로 다음과 같다.

2I? + S2O82? = I2 (aq) + 2SO42?

이 반응은 동시에 세 가지 이온의 충돌이 필요하다. 그러한 충돌이 일어날 확률은 매우 작다.

첫째로 2개 아이오딘과 1개 과황산 이온(S2O82?)간의 가능한 순차 반응은 다음과 같다.

메커니즘1 1?a I? + S₂O?²? = SO₄²? + SO₄I?

1?b SO₄I? + I? = I₂ + SO₄²?

이 반응 중 한 가지는 다른 반응보다 더 느리다. 다단계 반응 중 더 느린 반응을 속도 결정단계라고 한다. 이것은 그 과정의 전체 속도가 느린 단계의 속도에 따라 결정된다는 것을 의미한다. 메커니즘 1에서 첫째 단계가 속도 결정 단계이면 첫째 단계의 속도는 다음과 같다.

속도 = k [I?][S₂O?²?](메커니즘 1?a의 속도식)

둘째 단계가 첫째 단계보다 느리면 속도식은 그 반응이 마치 한 단계로 일어나는 것과 같은 형태로 나타낸다.

속도 = k[I?]²[S₂O?²?] (메카니즘 1?b의 속도식이고 1단계 반응은 불가능하다.)

둘째로 가능한 순차 반응은

메커니즘 2 2?a 2I? = I₂²?

2?b I₂²? +S₂O?²? = I₂(aq) + 2SO₄²?

첫째 단계가 속도결정단계이면

속도 = 2k[I?]² (메카니즘 2?a의 속도식)

둘째 단계가 속도결정단계이면 속도식은 그 반응이 마치 1단계로 일어나는 것과 같다.

속도 = k[I?]²[S₂O?²?] (메카니즘 2?b의 속도식)

시계반응은 반응의 종말점을 쉽게 알 수 있도록 고안된 반응으로, 위의 실험 대상 반응에서 생성된 I2와 S2O32?의 반응이 동일 용기 내에서 동시에 일어나도록 한다.

I₂ + 2S₂O₃²? → 2I? + S₄O?²?

이 반응에서 I₂가 형성되자마자 S₂O₃²? 이온과 매우 빨리 반응하여 없어지고 S₂O₃²?이온이 모두 소모되면 I₂ 분자가 용액에 남게 되며, 이것이 녹말과 반응하여 청색을 띠게 된다. 따라서 S₂O₃²? 이온이 모두 반응하여 없어지는데 필요한 시간을 색깔로 알려주므로 시계와 같은 구실을 한다.

I₂ + 녹말 → blue complex

본 실험에서 결정하려는 반응 속도식은 다음의 첫 번째 반응에 관한 것이며,

2I? + S₂O?²? → I₂ + 2SO₄²?

Na₂S₂O₃ 가 다 소모될 때까지, 즉 I₂가 반응 용기에 존재하기 시작하는 순간까지의 반응 속도를 측정하는 것이다.

3. 실험 기구 및 시약

시약

0.200M 요오드화 칼륨 용액(KI) : 투명하거나 무색 또는 불투명한 6각형의 결정. 강화제.

0.200M 염화 칼륨 용액(KCl) : 전해질. 보라색 불꽃 반응.

0.100M 과산화이황산 칼륨 용액 (K2S2O8 ) : 산화제

0.0050M, 0.0075M 티오황산 나트륨 용액(Na2S2O3 ) : 무색의 주상 결정. 사진 현상의 정착제. 표백제.

0.100M 황산 칼륨 용액(K2SO4 ) : 각종 비료와 배합. 무색의 가루.

0.4% 녹말 용액 : D-글루코스의 축합 중합체.

0.100M CuSO4 용액 : 푸른색의 투명한 결정.

실험기구

눈금실린더(10mL) : 액체의 부피를 측정하는 기구

초시계

스포이드 : 소량의 액체를 빨아내거나 한 방울씩 떨어뜨리는 데 사용.

씻기병 : 세척액을 넣어두는 용기.

고무마개

시험관 : 간단한 화학 반응에 주로 사용하는 기다란 원통형 기구.

시험관대 : 시험관이 쓰러지지 않도록 고정시켜주는 틀.

4. 참고 문헌

숨마쿰라우데 화학2, 김인섭 외 3인, 이룸이앤비, 2007

일반화학, Ralph A Burns, 녹문당, 2008

네이버 백과사전(http://100.naver.com)

5. 실험 과정

다음 표(실험A set 와 B set)와 같이 시약을 넣은 후 0.100M 과산화이황산 칼륨 용액(K2S2O8 )은 가장 나중에 넣고 시험관을 고무 마개로 막은 뒤 투명한 색이 청색이 되기 시작할 때까지 계속 흔들어준다. 흔들기 시작해서부터 시간을 재서 엷은 청색이 될 때까지의 시간을 기록한다.

[A와 B 세트를 모두 실험하도록 함.]

?

Safety notes

KCl

복용시에 심각하게 소화기관을 자극하는 물질이다.

K2SO4

복용시에 소화기관을 자극하여 약하게 하고, 혈액 순환을 방해한다.

CuSO4

강한 자극성 물질이다.

시험관 번호

1

2

3

4

5

6

0.200M KI

2.0

1.0

0.5

2.0

2.0

2.0

0.4%녹말 용액중의 0.0050MNa2S2O3

1.0

1.0

1.0

1.0

1.0

1.0

0.200M KCl

1.0

1.5

0.100M K2SO4

1.0

1.5

0.100M CuSO4

2방울

0.100M K2S2O8

2.0

2.0

2.0

1.0

0.5

2.0

시험관 번호

1

2

3

4

5

6

0.200M KI

2.0

1.0

0.5

2.0

2.0

2.0

0.4%녹말 용액중의 0.0075MNa2S2O3

1.0

1.0

1.0

1.0

1.0

1.0

0.200M KCl

1.0

1.5

0.100M K2SO4

1.0

1.5

0.100M CuSO4

2방울

0.100M K2S2O8

2.0

2.0

2.0

1.0

0.5

2.0

5. 실험 결과

실험A (농도를 구하는 풀이과정을 기재할 것)

?

1

2

3

4

5

6

t(sec)

17

75

129

71

149

1

상대 속도(sec?1)

?0.059

?0.013

?0.0078

?0.014

?0.0067

?1

[I?]

?0.08

?0.04

?0.02

?0.08

?0.08

?0.08

[S2O82?]

?0.04

?0.04

?0.04

?0.02

?0.01

?0.04

농도 = 용액의 농도×넣어준 부피÷전체 부피

[I?] = 0.2 × (KI의 부피) ÷ 5

[S2O82?] = 0.1 × (K2S2O8의 부피) ÷ 5

실험B (역시 농도를 구하는 풀이과정을 기재할 것)

?

1

2

3

4

5

6

t(sec)

93?

117

180

110?

290?

1?

상대 속도(sec?1)

0.xxx?

0.0085?

0.0056

0.0091?

0.0034?

1?

[I?]

0.08?

0.04?

0.02

0.08?

0.08?

0.08?

[S2O82?]

0.04?

0.04?

0.04

0.02?

0.01?

0.04?

농도 = 용액의 농도×넣어준 부피÷전체 부피

[I?] = 0.2 × (KI의 부피) ÷ 5

[S2O82?] = 0.1 × (K2S2O8의 부피) ÷ 5

1. 실험A에서의 반응 차수를 구하고 각 시험관반응의 속도 상수를 기록하시오. (계산과정을 반드시 쓸 것), (m=요오드 이온의 차수, n= 과산화이황산이온의 차수(S2O82?), k=속도 상수)

답. 실험 A에서 m;( 0.78 ), n;( 1.1 )

?

1

2

3

4

5

6

k`

?14.59

5.52

5.69

7.42

7.61

247.36

실험 B에서 m;( 0.62 ), n;( 1.4 )

?

1

2

3

4

5

6

k`

?4.77

?5.67

?5.74

?10.42

?10.27

?433.71

6. 관찰과 결과 분석

(1) 이 실험에서 KCl, K2SO4를 사용하는 이유는 무엇인가?

이 실험은 이온 간의 반응이다. 따라서 이온 농도의 세기에 영향을 받을 수도 있다. 일종의 변인통제를 통해 오차를 줄이기 위한 것이다. 반응에 실질적으로 참여하지 않는 물질인 KCl이나 K2SO4를 넣어줌으로써 K+의 세기를 일정하게 유지할 수 있다.

(2) 실험 결과로 보아 황산구리 용액의 역할은 무엇인가?

실험 A set, B set 모두 황산구리 용액을 넣어준 6번 실험관에서는 반응의 속도가 매우 빨랐다. 이것으로 보아 황산구리 용액이 반응 속도에 영향을 미친 것을 알 수 있으며 촉매 역할을 한 것으로 생각된다. 특히 반응 속도를 증가시키는 정촉매로서 작용하였다.

촉매는 활성화 에너지에 관여하여 반응 속도에 영향을 주지만 생성물의 양이나 최종 생성물에는 영향을 주지 않는다.

(3) 같은 온도에서 반응 3A + 2B → 3C에서 반응 속도가 A의 농도의 세제곱에 비례하고, B의 농도의 제곱에 비례함이 알려졌다면, B의 농도는 변화시키지 않고 A의 농도를 2배로 한 반응(가)과 B의 농도를 2배로 하고 A의 농도를 변화시키지 않은 반응(나)의 초기 속도를 비교하면? ( )안에 알맞은 말을 넣으시오.

정답; ( A )의 농도가 2배인 반응이 ( B )의 농도가 2배인 반응 보다 ( 2 )배 빠르다.

풀이과정>풀이과정>실험>실험>다단계반응>

화학반응속도 실험보고서 레포트

소개글 일반화학실험 “화학반응속도” 실험에 대한 내용입니다.

예비보고서와 결과보고서가 모두 포함되어 있습니다.

화학실험 A를 받은 보고서 입니다.

목차 1. Title

2. Date

3. Purpose

4. Reagents&Apparatus

1) Reagents

2) Apparatus

5. Theory

1) 반응 속도 (Reaction rate)

2) 속도 법칙 (Rate law) 과 반응 차수 (Reaction order)

3) 반응의 조건

4) 반응 속도에 영향을 주는 요인

5) 과산화수소의 분해 반응

6) 반응 매커니즘 (Reaction mechanism)

6. Procedure

7. Observation

8. Results

1) 용액의 부피를 이용한 반응별 속도

2) 산소 발생에 걸리는 시간

3) 산소의 부피와 발생 시간을 통해 반응 속도 계산

4) 반응 차수 m, n, 속도 상수 K의 결정

5) 반응 속도식 결정

9. Discussion

10. Reference

본문내용 4) 반응 속도에 영향을 주는 요인

① 농도, 압력과 반응 속도

⦁농도와 입자의 충돌 횟수

: 단위 부피 당 입자 수가 많아지므로 충돌 횟수는 증가한다. → 화학 반응이 일어나려면 반응하는 입자들이 서로 충돌해야 하기 때문이다.

⦁농도와 반응 속도

: 반응물의 농도가 증가하면 반응 속도가 빨라진다. → 단위 부피 당 입자 수가 증가하여 충돌 횟수가 증가하기 때문이다.

⦁압력과 반응 속도

: 반응물이 기체인 경우 압력이 클수록 반응 속도가 빨라진다. → 부피가 감소하여 단위 부피 당 입자 수가 증가해 입자들의 충돌 횟수가 증가하기 때문이다.

② 표면적과 반응 속도

반응물이 고체인 경우 표면적이 클수록 충돌 수는 증가하고, 반응 속도도 증가한다.

③ 온도와 반응 속도

⦁온도와 분자 운동 에너지

: 온도가 높아지면 분자들의 평균 운동 에너지가 증가한다.

⦁온도와 반응 속도

: 화학 반응에서 온도가 10℃ 높아지면 반응 속도가 2배정도 빨라진다. → 활성화 에너지 이상의 에너지를 갖는 분자 수가 증가하기 때문이다. 충돌 횟수 증가보다는 활성화 에너지 이상의 에너지를 갖는 분자 수 증가가 반응 속도에 직접적인 영향을 미친다.

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