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[일반화학실험] 23. 화학 반응 속도 실험 보고서(레포트)
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[화학실험] 농도와반응속도 : 네이버 블로그
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일반화학실험 – 화학반응속도 구하기 | YES24 블로그
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일반화학실험 – 화학반응속도 구하기
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[화학 반응 속도] 시계 반응 실험 ★
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화학 반응 속도 실험
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화학 반응 속도 실험
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[논문]고등학교 과학 교과서에 제시된 화학반응속도 측정을 위한 기본적인 실험의 분석 및 개선
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- Most searched keywords: Whether you are looking for [논문]고등학교 과학 교과서에 제시된 화학반응속도 측정을 위한 기본적인 실험의 분석 및 개선 2008 “앙금 생성 반응을 이용한 화학반응속도 측정 실험의 분석과 Small-Scale Chemistry를 적용한 실험 개발” 대한화학회지 = Journal of the Korean Chemical … 화학반응속도 측정, 고등학교 과학 교과서, 실험 개선
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고등학교 과학 교과서에 제시된 화학반응속도 측정을 위한 기본적인 실험의 분석 및 개선
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Analysis and Improvement of the Fundamental Experiments for Measuring Chemical Reaction Rates in the High School Science Textbooks
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![[논문]고등학교 과학 교과서에 제시된 화학반응속도 측정을 위한 기본적인 실험의 분석 및 개선](https://scienceon.kisti.re.kr/images/usr/scienceon_og.png)
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[일반화학실험] 23. 화학 반응 속도 실험 보고서(레포트)
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SMALL
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
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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
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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
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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
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LIST
[화학실험] 농도와반응속도
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반응속도에 미치는 농도의 영향
1. 실험목적
1) 반응물질의 농도에 따라 반응 속도가 어떻게 달라지는지 설명할 수 있다.
2) 농도변화에 따른 반응속도를 측정함으로써 화학 반응의 속도 식을 나타내는 데에 필요한 속도 상수와 반응 차수를 실험을 통해 결정할 수 있다.
3) 시계 반응을 이용해서 반응 속도의 차이가 큰 반응 단계가 연속적으로 일어나는 화학 반응의 특성을 설명할 수 있다.
2. 실험이론
1) 화학 반응 속도
반응물의 농도, 반응계의 온도와 압력 등은 화학반응 속도에 영향을 미친다. 반응속도가 반응물 농도의 n승에 비례할 때 이를 n차 반응이라고 한다. 반응속도와 반응물의 농도의 상관관계를 측정하여 반응 차수를 결정할 수 있다.
반응속도가 반응물의 농도에 의존하기 때문에 aA+bB->cC+dD 라는 화학반응식에 대한 반응속도를 구하는 식을 다음과 같이 나타낼 수 있다.
v=k[A]^{n} [B]^{m}
여기서 k는 온도에 따라 민감하게 변하는 속도 상수이고, m과 n은 반응 차수라고 한다. 반응 차수는 화학 반응식에 나타나는 화학양론적 상수와는 아무 관계가 없고, 실험을 통해서만 결정할 수 있으며 반응 메커니즘에 대한 정보를 담고 있는 아주 중요한 상수들이다. 반응 메커니즘이 단순한 경우에는 반응 차수가 정수가 되지만 그렇지 않은 경우도 많다.
2) 요오드 시계반응
시계반응은 여러 반응들 중에서 가장 극적이고 시각적으로 즐기는 화학실험이다. 그 중에서 가장 잘 알려진 시계반응은 랜돌트의 요오드 시계반응이다. 시계반응에서 일어나는 과정은 화학적으로 적정과 유사하다. 적정에서는 어떤 임계조건이 용액에서 가시적인 변화를 순간적으로 일으킬 때까지 한 물질을 다른 물질에 가한다. 시계반응에서 임계조건이 알람을 작동시킬 때까지 다른 물질과 반응하는 한 물질이 화학과정을 통하여 만들어진다.
이 실험에서 KIO3 용액과 NaHSO3 용액을 섞었을 때 생성되는 요오드(I2)가 용액 속에 넣은 녹말과 반응하여 용액이 청자색으로 변하는데 걸리는 시간을 측정함으로써 반응속도에 미치는 농도의 영향을 알 수 있다. 요오드 시계반응은 3단계로 나눠져서 진행하는 반응 메커니즘이다. 세 가지의 단계는 다음과 같다.
1단계 : 3HSO4-(aq) + IO3-(aq) → I-(aq) + 3SO42-(aq) + 3H+(aq)
2단계 : 5I-(aq) + IO3-(aq) + 6H+(aq) → 3I2(s) + 3H2O
3단계 : I2(s) + HSO3-(aq) + H2O → 2I-(aq) + SO4-(aq) + 3H+(aq)
전체반응 : 5HSO3-(aq) + 2IO3-(aq) → 5SO42- + 3H+(aq) + I2(s)
3) 반응속도와 농도
화학반응이 진행되기 위해서는 유효 충돌이 일어나야 하기 때문에 단위 부피 내에 입자 수가 많을수록 화학반응은 빨리 일어난다. 부피 내에 입자 수가 많아지면 유효충돌 횟수가 많아지는 것이지 충돌이 일어나는 것이 반응이 일어나는 것이 아니므로 입자 수에 반응속도가 정확하게 비례한다고는 할 수 없다.
화학반응이 진행되면 반응물이 생성물로 전화되므로 반응물질의 농도는 점점 낮아지고 시간이 지날수록 화학반응의 속도가 느려지게 되다가 결국엔 멈추게 된다.
4) 고체의 표면적과 반응속도
고체를 이용한 화학반응에서 반응의 속도를 증가시키기 위해서 온도를 높이거나, 촉매를 사용하면 된다. 고체의 경우 농도를 증가시킬 수는 없다. 순수한 고체의 밀도는 일정하다. 그러므로 고체의 농도는 항상 일정하다. 기체의 경우 압력을 증가시켜 부피를 줄어들게 하면 단위 부피속의 기체 입자의 수가 증가하므로 곧 농도가 증가되는 효과를 가져 오지만, 고체는 압력을 증가시켜도 부피가 거의 변하지 않는다.
고체가 관여한 화학반응에서 반응속도를 증가시키는 방법 중에 하나는 고체의 표면적을 증가시키는 것이다. 화학반응은 유효한 충돌이 있어야 일어난다. 고체의 표면에 있는 입자는 충돌을 통해 화학반응에 참여할 수 있지만 고체의 내부에 있는 입자는 충돌이 거의 불가능하므로 화학반응에 참여하기 어렵다. 고체 내부의 입자들을 화학반응에 동참시키려면 내부의 입자를 표면으로 끌어내면 된다.
3. 실험기구 및 시약
1) 기구
초시계, 전자저울, 피펫, 디지털 온도계, 스포이트, 6홀 키트, 10mL 매스실린더
2) 시약 및 재료
0.2M KIO3 용액, 0.2M NaHSO3 용액, 녹말 용액
* 녹말 지시약은 수용성 녹말 2g과 HgCl2(방부제) 5mg을 물 1L에 넣고 가열하여 모두 녹인 다음 식혀서 사용한다.
4. 실험과정
4.1 NaHSO3 수용액 농도에 따른 반응속도
1) 4개의 비커에 각각 0.2M KIO3 수용액을 5mL 씩 넣고 녹말 용액 2-3방울씩을 가한다.
2) 4개의 비커에 0.2M NaHSO3 수용액을 각각 2.5, 4, 5.5, 7, 8.5, 10mL씩 넣은 후, 전체 부피가 10mL가 되도록 증류수를 가한 뒤, 10ml 용액에서 5ml만 취한다.
3) 과정 2)의 용액이 들어 있는 각각의 비커에 과정 1)의 용액을 가하는 순간부터 청남색이 나타나는데 걸린 시간을 초시계로 측정한다. (시간을 측정할 때 두 용액이 잘 섞이도록 흔들어 주며 디지털 온도계로 온도를 측정한다.)
4.2 KIO3 수용액 농도에 따른 반응속도
1) 4개의 비커에 각각 0.2M NaHSO3 수용액을 5mL 씩 넣고 녹말 용액 2-3방울씩을 가한다.
2) 6개의 매스 실린더에 0.2M KIO3 수용액을 각각 2.5, 4, 5.5, 7, 8.5, 10mL씩 넣은 후, 전체 부피가 10mL가 되도록 증류수를 가한다.
3) 과정 2)의 용액이 들어 있는 각각의 비커에 과정 1)의 용액을 가하는 순간부터 청남색이 나타나는데 걸린 시간을 초시계로 측정한다. (시간을 측정할 때 두 용액이 잘 섞이도록 흔들어 주며 디지털 온도계로 온도를 측정한다.)
5. 실험결과
5.1 NaHSO3 수용액 농도에 따른 반응속도
용액 0.2M NaHSO3 수용액(mL) 반응1 반응2 반응3 반응4 반응5 반응6 2.5 4 5.5 7 8.5 10 증류수(mL) 47.5 46 44.5 43 41.5 40 NaHSO3 수용액의 농도(M) 0.01 0.016 0.022 0.028 0.034 0.04 온도(°C) 24.0 24.1 24.3 24.3 24.4 24.5 1회 34.03 26.59 22.73 18.69 14.94 12.08 반응속도(1/s) 0.029 0.038 0.044 0.053 0.066 0.082
[그래프 생략]R² = 0.9708
5.2 KIO3 수용액 농도에 따른 반응속도
용액 0.2M KIO3 수용액(mL) 반응1 반응2 반응3 반응4 반응5 반응6 2.5 4 5.5 7 8.5 10 증류수(mL) 47.5 46 44.5 43 41.5 40 KIO3 수용액의 농도(M) 0.01 0.016 0.022 0.028 0.034 0.04 온도(°C) 24.0 24.0 24.3 24.4 24.4 24.5 1회 X 20.87 18.69 반응속도(1/s) X
6. 결론 및 토의사항
1) 상대 반응 속도를 v’=k'[KSO _{3} ^{-} ] ^{a} [IO _{3 ^{-}} ] ^{b} 라고 할 때, 각각의 실험으로부터 반응 차수 a, b 결정해보자.
a=1 이다.
2) 오차원인
온도가 조금씩 달랐다.
흔드는 것이 달랐다.
7. 참고문헌
기초 화학 실험 책
[화학 반응 속도] 시계 반응 실험 ★
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[화학 반응 속도] 시계 반응 실험—————————————————
1. 실험 목적
화학 반응 속도는 ① 반응물 농도, ② 반응 온도, 그리고 ③ 촉매의 영향을 받는다.
( 참고 https://ywpop.tistory.com/10421 )
이 실험에서는 반응물의 농도 변화에 따른 반응 속도를 측정함으로써
반응 속도에 미치는 농도의 영향을 알아보고, 또한 반응 차수 및 속도 상수를 구한다.
2. 이론
> 반응 속도: 시간에 따른 반응물 또는 생성물의 농도 변화
> 속도 법칙: 반응 속도를 속도 상수와 반응물의 초기 농도와의 관계로 나타낸 식
( 참고 https://ywpop.tistory.com/2668 )
반응 속도는 단위 시간당 반응물 또는 생성물의 농도 변화로 정의되며,
반응물 중의 하나가 소모되는 속도
(또는 생성물 중의 하나가 생성되는 속도)를 관찰하여 결정할 수 있지,
화학 반응식만으로는 결코 그 값을 알 수 없다.
즉, 반응 속도는 실험을 통해서만 결정할 수 있다.
( 참고 https://ywpop.tistory.com/30 )
여기서 k는 속도 상수, m과 n은 반응 차수이다.
반응 차수는 실험에 의해 결정되며(보통 0, 1, 2와 같은 정수),
화학양론적 계수인 a, b와는 무관하다.
다음과 같은 요오드화 이온과 과산화이황산 이온과의 반응을 살펴보자.
여기서 이온의 농도는 mol/L로 나타낸다.
반응 속도는 (2)식에서 보듯이 반응물의 농도에 영향을 받는다.
이 밖에도 반응 속도는 온도와 촉매의 영향을 받지만
이 실험에서는 반응 속도에 미치는 농도의 영향만을 살펴볼 것이다.
반응 (3)은 반응 (1)에 비하여 훨씬 빨리 진행된다.
그러므로 반응 (1)에서 생성된 I2 분자는
같은 반응 용기에 들어 있는 S2O3^2- 이온과 재빨리 반응하여 없어지게 되어
S2O3^2- 이온이 완전히 소모되지 않은 한 I2 분자의 농도는 영(zero)이다.
반응이 진행되어 S2O3^2- 이온이 모두 소모되면
반응 (1)만이 일어나므로 I2 분자가 용액 속에 남게 된다.
이 I2 분자가 녹말과 반응하여 청색의 착물을 형성,
그 결과 용액의 색깔이 청색을 띠게 되어
일정량의 S2O3^2- 이온이 모두 반응하여 없어지는데
소요되는 시간을 알 수 있게 된다.
반응 (1)에서 1몰의 S2O3^2- 이온에 의해서 1몰의 I2 분자가 생성되는데,
이 1몰의 I2 분자는 반응 (3)에 따라 2몰의 S2O3^2- 이온과 반응한다.
그러므로 반응이 시작되어 청색이 나타나는 순간까지 소모된 S2O3^2- 이온의 몰수는
따라서 일정량의 I^- 이온 및 S2O3^2- 이온의 양을 정확히 재어 반응 용기에 넣고,
여기에 정확한 양을 알고 있는 소량의 S2O3^2- 이온 및 녹말을 가하여,
반응이 시작되는 순간부터 용액이 변색될 때까지의 시간을 측정하면
일정량의 반응물이 반응하는데 소요되는 시간을 알 수 있으므로 반응 속도를 구할 수 있다.
반응 속도는 단위 시간에 감소하는 반응물의 농도로써 주어지므로
여러 가지 농도를 써서 위와 같은 실험을 하면
반응 속도를 구하는데 필요한 데이터를 얻을 수 있다.
3. 기구 및 시약
4. 실험 방법
1) 다음 표와 같은 용액을 조제한다.
2) 100 mL 삼각 플라스크(반응 플라스크) 및 50 mL 비커에
조제한 용액을 상기 표의 양만큼 피펫을 사용하여 각각 정확하게 가해 놓는다.
3) 반응 플라스크에 magnetic bar를 넣고 교반기를 작동시킨다. 초시계를 준비한다.
4) 50 mL 비커 속의 용액을 신속하게 반응 플라스크에 가한다.
동시에 반응 시작 시간을 기록한다.
5) 반응 용액이 청색으로 변할 때까지의 시간을 기록한다.
1) 녹말 용액 조제법: 끓고 있는 증류수 50 mL에 약 0.5 g의 녹말을 넣고
맑은 용액이 될 때까지 끓인다(100 mL 삼각 플라스크 사용).
2) (NH4)2S2O8 용액은 오래(며칠 동안) 방치하면 분해되므로
사용 직전에 조제한다.
3) 반응 혼합물을 희석시킬 때(똑같은 양, 50 mL로 만들 때)
물 대신 KCl 용액을 사용하는데 이것은 반응 속도에 영향을 미치는
반응 혼합물의 이온 세기를 일정하게 유지하기 위함이다.
※ 자료 처리에 대한 내용은 [첨부 파일]을 참고하세요.
시계반응실험(수정).hwp 0.05MB
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