[일반화학실험]화학 반응 속도 : 시계 반응

실험 목적

반응 속도 상수와 반응 차수를 결정할 수 있다.

 

실험 이론 및 원리

1. 반응 속도

1) 화학 반응 A → B에 대한 반응 속도

속도 = -Δ[A]/Δt = Δ[B]/Δt

이 반응 속도는 Δt 시간 동안 평균한 값이기 때문에 평균 반응 속도라고 한다.

화학 반응이 진행하는 속도를 반응 속도라고 하는데, 보편적으로 반응 속도는 단위 시간에 대한 반응 물질의 소실량 혹은 생성 물질의 생성량으로 나타내며, 반응 속도는 느린 반응과 빠른 반응이 있습니다.

2) 아이오딘화 이온과 과산화이황산 이온 반응

2I-(s) + 2S2O82-(aq) → I2(s) + 2SO42-(aq) ··· (1)

① 실온에서 상당히 느리게 반응한다.

② 반응속도 = k[I-]m[S2O82-]n, (k: 반응속도상수, m과 n: 반응차수)

③ 반응속도는 반응 물질의 농도에 따라 영향을 받는다.

 

3) 시계 반응 : 두 가지 반응이 동시에 일어날 때, 각각의 반응의 반응속도가 달라 빠른 반응으로 평형상태를 유지하고 있는 반응계에서, 느린 반응의 종결과 함께 평형이 깨져 일정 시간이 지난 후에 반응이 시작되는 것처럼 보이는 반응을 의미한다.

① 주어진 반응의 종말점을 자동으로 알 수 있다.

② 반응 (1)은 녹말 존재 하의 동일 용기 내에서 다음 반응과 동시에 발생한다.

I2(s) + 2S2O32-(aq) → 2I-(aq) + S4O62- ··· (2)

③ 반응 (2)은 반응 (1)에 비해 훨씬 빨리 진행된다.

 

4) 반응 속도를 조절하는 요인

① 농도 : 반응속도는 반응 물질의 농도가 증가할수록 빨라지는데, 농도가 증가한다는 것은 일정 부피에 들어있는 입자의 수가 많아진다는 것을 의미한다. 이것은 충돌횟수의 증가를 가져오고, 유효충돌 분자 수가 증가하면 반응속도는 빨라진다.

② 온도 : 온도가 증가할수록 반응속도는 빨라지는데, 온도가 증가하게 되면 활성화 에너지 이상의 에너지를 갖는 분자 수가 증가하게 되어 반응속도는 증가한다.

③ 촉매 : 자기 자신은 변하지 않고 반응속도를 느리게(부촉매 – 활성화 에너지 증가) 혹은 빠르게(정촉매 – 활성화 에너지 감소) 해 주는 물질을 의미한다.

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

1) 100㎖ 비커 3개, 50㎖ 비커 6개, 25㎖ 눈금 피펫 6개

2) 초시계 1개, 세척병 1개, 온도계 1개, 자석 교반기

3) 0.2 M KI, 0.2 M KCI, 0.1 M (NH4)2S2O8, 0.1 M (NH4)2SO4,0.005 M Na2S2O3

100 ㎖ 수용액 제조: 100 ㎖ 부피 플라스크에 다음 표에 나타낸 양만큼의 물질을 넣고 녹인 다음 표시선까지 물을 채운다.

용 액	용 질
0.2 M KI	KI 3.32 g
0.2 M KCl	KCl 1.49 g
0.1 M (NH4)2S2O8	(NH4)2S2O8 2.28 g
0.1 M (NH4)2SO4	(NH4)2SO4 1.32 g
0.005 M Na2S2O3	Na2S2O3 0.079 g

4) 녹말지시약 : 1 g의 가용성 녹말을 물 100 ㎖에 넣고 맑은 용액이 될 때까지 끓인 후 냉각시킨다.

시약명	화학식	몰질량(g/㏖)	녹는점(℃)	끓는점(℃)	밀도(g/㎖)
요오드화칼륨	KI	166 g/㏖	113℃	184℃	1.32 g/㎖
염화칼륨	KCI	-	776℃	1,500℃	1.98 g/㎤
과황산암모늄	(NH4)2S2O8	228.2 g/㏖	120℃	-	1.98 g/㏖
황산암모늄	(NH4)2SO4	1.77 g/㎤	280℃	-	132.14 g/㏖
싸이오황산나트륨	Na2S2O3	158.11 g/㏖	48.3℃	100℃	1.667 g/㎤

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 아래 표는 3 종류의 반응에 대한 각 용액의 부피를 나타낸 것이다. 각 반응에 대한 실험법은 거의 같으므로 반응 1만을 예를 들어 설명한다.

반응	비커 1	비커 2
1	20 ㎖ 0.2 M KI	20 ㎖ 0.1 M (NH4)2S2O8
2	10 ㎖ 0.2 M KI 10 ㎖ 0.2 M KCl	20 ㎖ 0.1 M (NH4)2S2O8
3	20 ㎖ 0.2 M KI	10 ㎖ 0.1 M (NH4)2S2O8 10 ㎖ 0.1 M (NH4)2SO4

2) 50 ㎖ 비커(비커 1)에 눈금 피펫으로 20 ㎖의 0.2 M KI을 정확히 취하여 넣는다.

3) 다른 50 ㎖ 비커(비커 2)에 20 ㎖의 0.1 M(NH4)2S2O8을 눈금 피펫으로 정확히 취하여 넣는다.

4) 100 ㎖ 비커(비커 3)에 10 ㎖의 0.005 M Na2S2O3과 1 ㎖의 녹말 지시약을 각각 눈금 피펫으로 정확히 취하여 넣는다.

5) 비커 1과 2의 용액을 비커 3에 용액의 손실 없이 가능한 한 빨리 붓고 반응 시작 시간을 기록하는 동시에 자석 젓개를 이용하여 잘 섞는다.

6) 반응 용액의 색깔이 변색되는 순간의 시간을 기록하고 용액의 온도를 기록한다.

7) 이와 같은 방법으로 표에 있는 반응 2와 3을 실시한다.

8) 각각의 실험을 두 번 더 반복하여 실시한다.

실험 결과

1. 반응 차수의 계산

반응 속도 = k[I-]m[S2O82-]n

반응 1과 반응 2에 대하여 각각 반응 속도 1, 2라 하면 다음 관계식 성립

반응 속도 1 = 5.02×10-4 = k [0.078M]m[0.039M]n

반응 속도 2 = 1.40×10-4 = k [0.039M]m[0.02M]n

첫 번째 식을 두 번째 식으로 나누면 I-에 대한 반응 차수 m을 구할 수 있다. 같은 방법으로 반응1과 3을 이용하여 S2O82-에 대한 반응 차수 n을 구할 수 있다.

반응 속도 1 = 5.02×10-4 = k [0.078M]m[0.039M]n

반응 속도 3 = 1.59×10-4 = k [0.078M]m[0.02M]n

m =1.85, n =1.74, k = 35

 

2. 농도에 따른 반응 속도 측정(반응 온도 : 35 ℃)

반응	변색까지의 시간(t)	반응 비커 속의 초기 농도 [M]		반응속도 [M·s-1]
		[I-]	[S2O82-]
1	1분 17.56	0.078	0.039	5.02×10-4
	1분 18.73	0.078	0.039	4.95×10-4
	0분 45.93	0.078	0.039	8.49×10-4
2	2분 24.93	0.039	0.02	1.4×10-4
	2분 13.47	0.039	0.02	1.5×10-4
	1분 29.77	0.039	0.02	2.23×10-4
3	2분 05.78	0.078	0.02	1.59×10-4
	1분 51.07	0.078	0.02	1.8×10-4
	1분 42.32	0.078	0.02	1.95×10-4

 

3. 반응속도 구하기

실험1

[I-] = (0.2M×0.02L)/0.051L = 0.078M

[S2O82-] = (0.1M×0.02L)/0.05L = 0.039M

초기속도 = 0.039M/77.56s = 5.02×10-4 M/s

따라서 5.02×10-4 M/s = K[0.078M]m[0.039M]n

 

실험2

[I-] = (0.2M×0.01L)/0.051L = 0.039M

[S2O82-] = (0.1M×0.02L)/0.051L = 0.039M

I 가 한계반응물 인데 10㎖만 반응하므로 S2O82- 또한 10㎖만 반응해서

Δ[S2O82-] = 0.02M 이 된다.

초기속도 = 0.02M/142.93s = 1.40×10-4 M/s

따라서 1.40×10-4 M/s = K[0.039M]m[0.039M]n

 

실험3

[I-] = (0.2M×0.02L)/0.051L = 0.078M

[S2O82-] = (0.1M×0.01L)/0.051L = 0.02M

초기속도 = 0.02M/125.78s = 1.59×10-4 M/s

따라서 1.59×10-4 M/s = K[0.078M]m[0.02M]n

 

4. 반응속도 정리

실험1	5.02×10-4 M/s = K[0.078M]m[0.039M]n
실험2	1.40×10-4 M/s = K[0.039M]m[0.039M]n
실험3	1.59×10-4 M/s = K[0.078M]m[0.02M]n

 

5. 반응차수 구하기

m : 실험1/실험2 → 5.02×10-4/1.40×10-4 = (0.078M/0.039M)m → 3.6 = 2m

→ log3.6 = mlog2 → m =log3.6/log2 = 1.85

n : 실험1/실험3 → 5.02×10-4/1.59×10-4 = (0.039M/0.0.2M)n → 3.2 = 1.95n

→ log3.2 = nlog1.95 → n =log3.2/log1.95 = 1.74

따라서 m=1.85, n=1.74 이므로 전체 반응차수는 3.59차 이다.

 

6. 속도상수 구하기

실험1

5.02×10-4 M/s = K[0.078M]1.9[0.039M]2

K = 5.02×10-4/([0.078]1.85×[0.039]1.74) = 37

 

실험2

1.40×10-4 M/s = K[0.039M]1.9[0.039M]2

K = 1.40×10-4/([0.039]1.85×[0.039]1.74) = 51

 

실험3

1.59×10-4 M/s = K[0.078M]1.9[0.02M]2

K = 1.59×10-4/([0.078]1.85×[0.02]1.74) = 16

 

7. 속도상수 정리

	실험1	실험2	실험3	평균
속도상수(K)	37	51	16	35

 

위와 같은 방식으로 모든 조건에서 계산한 값이다.

 

실험을 진행하기 전	1번 실험
2번 실험	3번 실험

 

토의 사항

1. 실험 고찰

본 실험은 과산화이황산 이온(S2O82-)으로 아이오딘 이온(I-)을 산화시키는 것으로 이를 이용해 반응물의 농도 변화가 반응 속도와 속도 상수에 미치는 영향을 알아보고 반응 차수와 속도 상수를 알아내는 실험이었다. 이 실험에서 반응 속도는 반응물, 생성물의 농도 변화량을 시간으로 미분하여 얻은 미분 속도 식으로 표현하였다. 반응 속도는 S2O32-가 완전히 없어질 때까지의 시간을 측정해서 구했다.

S2O32-가 완전히 없어질 때까지의 시간은 I3-가 녹말 지시약과 결합해서 색깔을 나타내는 시간과 같다. 실험 중 Na2S2O3 수화물 용액을 넣어준 이유는 I3-를 빠르게 I-로 환원시키기 위한 것이다. 그리고 실험2에서 KCl을 넣어주고 실험3에서 (NH4)2SO4를 넣어준 이유는 실험 반응에서 이온의 농도를 일정하게 해주기 위한 것이었다. 실험 1과 2의 KI 농도차를 이용해서 (v=k[I-]m[S2O82-]n) m의 값을 알아내었고, 실험 1과 3의 (NH4)2S2O8의 농도차를 이용해서 n의 값을 알아내었다.

본 실험에서 오차를 분석해보자면, 가장 큰 요인은 초시계를 사람이 측정했다는 것이다. 용액을 만들어 용액을 섞는 것과 동시에 초시계로 시간을 측정했는데, 조금이라도 늦게 눌렀다면 용액의 반응이 조금 먼저 시작되어 반응 시간이 줄어든다. 반응 시간이 줄어들면 반응 속도가 크게 계산되어 이에 따라서 속도 상수는 크게 계산된다. 조사해본 결과 (NH4)2S2O8 용액은 오래 나두면 분해가 되는 성질을 갖고 있다. 실험 시간이 길어져 미리 만들어놓은 용액이 분해되어 용액의 농도가 줄어들었다면 반응 속도가 느려졌을 것이고 속도 상수도 작아졌을 것이다.

 

참고 문헌

1. 맥머리, 일반화학, 자유아카데미, pp.394-430