화학반응속도 - 농도 및 온도의 영향

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화학반응속도 - 농도 및 온도의 영향에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

반응에서 동일하므로 각 반응의 상대 속도는 시간 t에 반비례한다. 이 상대속도를 100/t라고 간주한다.
반응
변색까지의 시간
t(초)
반응플라스크 속의 초기농도
상대적 반응속도
100/t
I-
S2O82-
1
150
0.080
0.040
0.6667
2
310
0.040
0.040
0.3226
3
270
0.080
0.020
0.3704
4
190
0.080
0.030
0.5263
각 이온의 농도 = 몰농도 * 액체의 양 / 총 용액의 양
(0.2,0.1) (0.01,0.015,0.02) (0.05)
여기서 몰농도*액체의 양은 이온의 총 몰수고 다시 이 몰수를 총 용액의 부피로 나누게 되면 몰농도가 나오게 된다.
1) 실험
[I]= = 0.080M [S2O82-]= = 0.040M
2) 실험
[I]== 0.040M [ S2O82-]= = 0.040M
3) 실험
[I]= = 0.080M [ S2O82-]= = 0.020M
4) 실험
[I]= = 0.080M [ S2O82-]== 0.030M
여기서 녹말을 넣는 이유가 이 과정에서 나오게 되는데
두 식중 위 식이 바로 속도가 느린 즉, 속도를 결정하는 식이 되는 것이다. 따라서 위에 속도계산식에는 아이오딘화 이온과 싸이오황산이온의 농도를 이용한 것이다. 밑의 식이 바로 색깔이 변하게 되는 이유를 설명할 수 있는데 방금 언급했다시피 아래의 식의 속도가 훨씬 빨리 진행된다. 따라서S2O3² 이온과 재빨리 반응하여 없어지게 되어 S2O3² 이온이 완전히 소모되지 않는 한 I2의 농도는 영이다. 하지만 S2O3² 이온이 모두 소모되기 시작 하는 순간부터 l2 분자가 생기게 되고 이것이 녹말과 반응하면서 청색을 띠게 되는 것이다. 그래서 실험을 할 때 색깔이 바뀌는 시간을 잰 것이다.
이론적으로는 한 이온의 농도가 고정되어 있는 상태에서 이온의 농도가 2배가 되면 속도식이 각각 아이오딘화 이온과 싸이오황산이온이 일차 즉 총 2차반응 이므로 전체 속도도 2배가 되어야 한다. 그러나 위 표를 참고했을 때, 아이오딘화 이온을 2배 했을 때는 이론치 : 0.6452, 실험치 : 0.6667 즉 3.3%의 오차를, 사이오황산 이온을 3/2배 했을 때는 이론치 : 0.5556, 실험치 : 0.5263 - 5.3%의 오차를 보였다.
또한 m,n을 농도를 이용해 둘다 1인 총 2차 반응이라고 안다고 가정하고 k값을 구해본다면
상대속도 = k'[I-]m[S2O82-]n
위의 식에 각 값들을 대입해서 반응 1~3의 상대속도 상수 k를 구한다.
반응
1
2
3
4
평균
K (L * mol-1 * s-1)
208.34
201.63
231.5
219.29
215.19
⇒ 위의 k값들은 평균 ±3 %정도의 오차를 보였다.
이런 오차를 보이는 데는 몇 가지 이유가 있다.
첫 째로 가장 큰 이유는 역시 색깔이 바뀔 때까지의 시간을 잴 때 색깔이 바뀐다는 기준이 모호하다. 또한 우리 눈으로 정확히 색깔이 바뀔 때의 순간
을 포착하기도 쉽지 않다.
둘째는 피펫으로 삼각플라스크로 옮길 때, 플라스크 옆면으로 액체가 흘러서 옆면의 액체는 삼각플라스크에서 삼각 플라스크로 옮길 때 포함되지 않게 되는 경우도 있고, 피펫으로 옮길 때도 한 두 방울 씩 떨어뜨리는 경우가 있어서 용액의 부피 자체가 100%정확하지 않는데서 나오는 오차일 것이다.
마지막으로는 빠른 실험을 위해 시약들을 한꺼번에 떠놓고 실험을 차례로 해 도중에 증발이 되어 처음에 실험한 시약과 마지막으로 실험한 시약간의 부피 차이가 나게 됨으로써 생기는 오차일 것이다.
다음은 온도의 영향 실험의 결과값인데
반 응
온도
반 응 혼 합 물
1
2
3
4
약 20℃
약 40℃
약 10℃
약 0℃
20㎖ 0.2M KI
+
20㎖ 0.1M (NH4)2S2O8
반응
혼합물
1
2
3
4
1.변색까지의 시간(t)
150
56
240
540
2. 반응온도(℃)(평균)
24
49
10
0
3. 상대속도 = 100/t
0.67
1.79
0.42
0.19
4. 상대속도의 log
-0.17
0.25
-0.38
-0.72
5. 평균온도 T(K)
297.15
322.15
283.15
273.15
6. 1/T, (K-1)
0.0034
0.0031
0.0035
0.0037
이 결과값들을 이용하게 되는 것이 바로 아레니우스의 식인데 반응속도와 온도 및 활성화 에너지()와의 관계를 표현한 식이다.
** 아레니우스의 식 :
여기서 R은 기체상수(1.98 cal/moleK)이고, (활성화 에너지)의 단위는 cal/mole, 온도는 절대온도(K)이다. 여러 온도에서 k를 구하고 를 다시 1/T에 대해 도시하면 윗 식에 따라 직선관계를 얻으며, 이 직선의 기울기는 -/R이므로, 기울기로부터 를 구할 수 있다. 아레니우스식에 의하면, 속도상수k는 절대온도가 증가할수록 함께 증가하고 활성화에너지 가 증가할수록 감소한다. 또, 반응속도식()에 의하면 속도상수k가 증가하면 반응속도가 증가하고 속도상수k가 감소하면 반응속도가 감소한다.
여기서 k 값을 각 온도별로 구해보면
559.38 - 49도
209.38 - 24도 (k = 각 상대속도 / (0.08*0.04) - 각 농도의 곱)
131.25 - 10도
59.38 - 0도
우리가 구하려는 Ea를 한눈에 알아보기 위해 그래프를 그려보면
즉 Ea는 기울기인 742081을 R = 1.98로 나눈 374788.39cal/mole = 374.79 kcal/mol이 나오게 된다.
점들을 이은 선이 이론상으로 나와야할 직선으로 나오지 않은 것은 측정 오차 때문으로 보인다.
첫 번째로 오차의 이유는 온도의 평균치의 오차다. 실제로 가열기로 해당 온도에 해당하는 온도까지 끌어올리거나 얼음으로 하강시켜서 내리는 것인데 처음온도와 끝의 온도를 평균낸 것과 실제로 그 온도를 유지하는 것과는 실험이 다르게 나올수 있다. 각 온도에 그 실험 결과값이 비례하는 것이 아니기 때문이다.
두 번째는 농도의 영향 실험 때와 마찬가지로 색깔의 변화까지 걸리는 시간이다. 이 것이 변한다는 상황의 기준을 잡기가 매우 애매해 이 과정에서 상당한 오차가 나왔을 것이라 예상된다.
8. 참고문헌
네이버 백과사전, 네이버 블로그

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반응 속도,   농도 및 온도의 영향,   요오드화 이온,   요오드와 티오황산이온과의 반응