실험] 화학반응속도 - 시계반응 실험 결과보고서

소개글

실험] 화학반응속도 - 시계반응 실험 결과보고서에 대한 보고서 자료입니다.

목차

실험 데이터 및 처리
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1. 각 각의 묽힌 용액 A에서 IO3-의 초기 농도를 구하고, 측정한 반응시간 와 함께 다음의 표에 기록한다. 또한 용액 B에서 HSO3-의 초기 농도를 구한다.

[HSO3-]0 =


- 계산과정



2. [HSO3-]는 값이 매우 작고, 반응에서 완전히 소비된 것으로 가정하면 초기속도법에 의하여 반응속도는 로부터 구할 수 있다. 또한 반응차수를 구하기 위하여 ln[IO3-]0와 ln(rate)를 계산한다.




3. ln(rate) vs ln[IO3-]0의 그래프를 그리고 최소자승법(linear least squares)에 의하여 직선의 기울기와 절편을 구한다 (그래프에 직선을 같이 그릴 것).

(ln (rate) vs ln [IO3-]0의 그래프 첨부)




4. 이때 얻은 직선의 기울기와 절편으로부터 IO3-에 대한 반응차수 n과 겉보기 속도상수 kobs의 값을 구한다.




실험 결과에 대한 고찰
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다음의 질문에 답하시오.
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1. Landolt 시계반응에서 녹말은 무슨 역할을 하는가? 또한 황산은 무슨 역할을 하는가?




2. 이번 실험에서는 IO3-에 대한 반응차수만을 결정하였다. HSO3-에 대한 반응차수를 구하려면 어떠한 실험을 해야 하는지 설명해 보라.




3. 일반적으로 화학반응식의 계수(stoichiometric coefficients)와 반응차수(reaction orders)는 서로 같지 않다. 그 이유는 무엇인가?




4. 반응속도에 영향을 미칠 수 있는 요인에는 어떠한 것들이 있는가?





참고문헌
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본문내용

라진다. 촉매는 활성화 에너지를 변화시킴으로써 반응 속도를 빠르게 하는 경우도 있고 느리게 하는 경우도 존재한다. 이때, 반응속도를 빠르게 하는 촉매와 느리게 하는 촉매를 각각 정촉매와 부촉매라고 한다.
실험에 주로 사용된 기구는 가시광선 피펫, 비커, 초시계, 눈금 실린더, 저울 등이 있으며, 주로 사용된 시약은 , , 가 있다. 주요 실험 기구의 사용법과 사용 시 유의사항 그리고 용액의 물리/화학적 특성과 사용 시 주의해야하는 사항에 대해 사전에 조사하고 익혀두어야 한다.
본 실험자는 이번 실험을 통해 Landolt iodine 시계반응이 진행될 때 반응속도를 측정하여 ln(rate) vs 에 관한 그래프를 직접 그려 볼 수 있었다. 본 과정을 통해 직접 그린 반응 그래프와 반응 속도 식 비교 및 대입을 통해 반응차수를 결정하는 과정을 학습할 수 있었다. 또한, 용액의 제조와 농도 변화 및 반응 시간 그리고 반응속도에 영향을 주는 요인에 대해 탐구할 수 있었다. 더불어, 는 값이 매우 작고 반응에서 완전히 소비된 것으로 가정하면 초기속도법에 의하여 반응속도는 로부터 구할 수 있다는 점에 대해 명확하게 익힐 수 있었다.
본 실험에서는 실험방법과 유의사항에 주의하여 실험하였기에 오차가 적게 발생하였다. 각 용액의 몰농도와 rate, ln(rate) 그리고 를 계산하는 과정에서 반올림의 오차가 발생했을 것으로 사료된다. 반올림의 오차를 줄이기 위해 가능한 하나의 식을 작성하여 전부 계산한 다음에 유효숫자를 정리해 주어야 한다. 또한, 갑작스러운 색 변화 발생 시, 시간을 명확하게 측정하지 못하나 용액 A에 B를 빠르게 첨가하지 못해 오차가 발생한 것으로 추측된다. 다음 실험 과정에서도 본 실험과 같이 수칙과 주의사항에 근거하여 정밀한 실험기구를 통해 실험을 진행하고 반복 실험을 진행하여 평균값을 활용하면 오차가 적을 것으로 사료된다.
다음의 질문에 답하시오.
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1. Landolt 시계반응에서 녹말은 무슨 역할을 하는가? 또한 황산은 무슨 역할을 하는가?
Landolt 시계반응의 메카니즘은 다음과 같다.
녹말은 와 반응하여 짙은 푸른색의 인 를 생성한다.
위 메카니즘에 따라, 반응의 종료 시점에 갑작스러운 색 변화가 나타나므로 반응 시작 순간부터 용액의 색이 변할 때까지의 시간을 측정함으로써 반응 속도를 계산할 수 있다.
즉, 녹말은 지시약 역할로서 반응속도를 유용하게 반응속도를 계산하고자 첨가한다.
황산은 을 분해하는 역할을 한다. 이에 따라, 황산을 첨가하면 와 녹말이 반응하여 짙은 푸른색의 인 를 생성하는 것을 방해한다. 이를 통해, 혼합된 용액이 서서히 푸른색으로 변하는 것이 아니라 반응의 종료 시점에서 갑작스러운 색 변화가 일어날 수 있도록 해준다.
2. 이번 실험에서는 IO3-에 대한 반응차수만을 결정하였다. HSO3-에 대한 반응차수를 구하려면 어떠한 실험을 해야 하는지 설명해 보라.
동일한 양의 을 포함하는 용액을 첨가하며 을 포함하는 용액의 첨가량을 달리하여 혼합용액의 색이 변할 때 까지 걸리는 시간을 측정함으로써 에 대한 반응차수를 구할 수 있다.
예를 들어, 를 포함하는 용액과 증류수를 피펫 또는 눈금실린더를 사용하여 다음 양만큼 준비한다.
번호
용액 B (mL)
증류수 (mL)
1
2.0
23.0
2
5.0
20.0
3
8.5
16.5
4
12.0
13.0
5
16.0
9.0
6
20.0
5.0
7
25.0
-
눈금 실린더에 25.0mL의 을 포함하는 용액을 채운 다음 앞서 준비한 을 포함하는 용액과 증류수의 혼합 용액에 재빠르게 첨가하고 유리막대로 골고루 섞어준다. 용액을 가하자마자 초시계를 시작하고 혼합용액의 색이 푸른색으로 바뀔 때까지 걸리는 시간인 반응시간을 측정한다.
측정한 반응시간과 용액의 초기 농도를 활용하여 rate, ln(rate), 를 계산하고 그래프를 그린다. 최소 자승법에 의해 직선의 기울기와 절편을 구하고 반응 속도 식과 비교하는 과정을 통해 기울기와 절편으로부터 반응차수 n과 겉보기 속도상수 값을 구한다.
이 과정을 통해 에 대한 반응차수를 구할 수 있다.
3. 일반적으로 화학반응식의 계수(stoichiometric coefficients)와 반응차수(reaction orders)는 서로 같지 않다. 그 이유는 무엇인가?
화학 반응식의 계수는 균형 반응식에서의 계수로 반응물과 생성물 사이의 상대적인 몰수를 의미한다. 양론계수는 일반적으로 간단한 양의 정수비로 나타내어진다.
반응 차수는 시약, 촉매 부산물 등의 농도 지수에 따라 반응속도식의 값을 표현한 것이다. 반응 속도 식 에서 m과 n을 의미하며 m과 n인 반응 차수는 반응 계수인 a와 b의 관계없이 실험을 통해 구해야 한다. 즉, 지수 m과 n은 반응 물질의 농도[A],[B]가 변할 때 속도가 어떻게 변하는지를 알려주는 차수를 말하며 0, 양의정수, 음수, 분수로 표현되어 진다.
따라서 실험적으로 결정되며 0, 양수, 음수, 분수로 표현되는 반응차수는 일반적으로 양의 정수비로 표현되는 화학반응의 계수와 같지 않은 것이다.
4. 반응속도에 영향을 미칠 수 있는 요인에는 어떠한 것들이 있는가?
농도와 온도 그리고 표면적과 촉매 등이 반응속도에 영향을 미칠 수 있다.
반응 물질의 농도가 진할수록 단위 부피 속 입자의 수가 증가한다. 이에 따라 입자의 충돌 횟수가 증가하여 반응 속도가 빨라진다. 또한, 온도가 높아지면 분자들의 평균 운동 에너지가 증가하기 때문에 반응 속도가 빨라진다. 동일한 양의 고체 물질이라도 입자의 크기가 작을수록 표면적이 커진다. 그러므로 고체를 작은 크기로 자르면 표면적이 증가하여 충돌 횟수가 증가하고 반응 속도가 빨라진다. 촉매는 활성화 에너지를 변화시킴으로써 반응 속도를 빠르게 하는 경우도 있고 느리게 하는 경우도 존재한다. 이때, 반응속도를 빠르게 하는 촉매와 느리게 하는 촉매를 각각 정촉매와 부촉매라고 한다.
참고문헌
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일반화학, Steven S. Zumdahl, Cengage, 2018, 151쪽

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