[일반화학실험]수소의 제법(제조)

실험 목적

마그네슘과 염산을 이용한 산화-환원 반응을 통해 수소 가스의 발생을 확인한다.

실험 이론 및 원리

1. 산화 환원 반응

산화란 산소와의 결합, 수소의 떨어져 나감, 산화수의 증가(전자의 수가 줄어듦)의 경우를 말하며 환원은 산소와의 분리, 수소와의 결합, 산화수의 감소(전자의 수가 늘어남)의 경우를 말한다. 한 원소가 산화하면 다른 원소는 환원되기 때문에 항상 동반되어 발생한다고 볼 수 있다. 예를 들어 공기 중에 탄소나 황을 연소시키는 것은 C + O2 → CO2, S + O2 → SO2 와 같이 산소와 화합하기 때문에 산화이다.

이와 반대로 산소를 잃거나 수소를 얻는 반응을 환원이라고 한다. 넓은 뜻으로는, 일반적으로 화학반응이 일어난 전후에 1개의 원소에 주목하였을 때, 그 원소는 산화되었다고 한다. 이 경우, 그 원소의 산화수의 증가는 다른 어느 원소의 산화수의 감소를 뜻하므로 그 원소의 산화에 의하여 다른 원소의 환원을 볼 수 있고, 산화와 환원은 항상 동반된다고 할 수 있다.

아연을 묽은 황산에 녹일 때의 반응은 Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2이며 Zn은 Zn2+가 되어 양전하가 증가하고 있으므로 산화이다. 그리고 수소가 생성되었으므로 환원반응 또한 일어났다. 이를 바탕으로 마그네슘과 묽은 염산의 반응식은 2HCl + Mg → MgCl2 + H2 과 같이 나타낼 수 있다. 마그네슘은 묽은 염산과 발열 반응을 하면서 수소기체를 발생시킨다. 반응 하는 곳에 성냥불을 갖다 대면 수소는 가연성이므로 폭발음이 날 것이다.

 

가연성이란 산소 또는 공기와 혼합해서 점화했을 때 착화점 이상으로 온도가 유지되고, 산소와 화합하는 산화반응을 일으켜서 발열 반응하는 것이며 반응열이 다량으로 발생하여 연소반응을 지속시킬 수 있다는 것, 즉 점화하면 빛과 열을 발해서 연소하는 것이다.

2. 수소의 특징

수소는 녹는점 –259.3℃, 끓는점 –252.780℃, 밀도(기온 0℃, 1atm기준) 0.089870g/L, 원소기호 H, 원자번호 1번인 화학원소이다. 보통 상태에서는 원자2개가 결합되어 H2의 형태로 존재한다. 실내 온도에서 무색무취의 기체이지만 천연그대로 존재하는 일은 드물어 산소와 결합한 수증기(H2O)와 같이 다른 원소와 결합된 상태로 안정적으로 존재한다. 

산소와의 혼합물이 점화하게 되면 폭발적으로 물이 된다. 비금속 원소와는 가열, 촉매를 사용하여 수소화합물을 만들어 내고, 고온에서 금속 산화물을 환원하여 금속을 유리한다(화합물에서 결합이 끊어져 원자나 원자단이 분리된다는 의미이다). 수소는 비금속 원소이지만 전자를 잃고 양이온이 잘 되며, 양이온인 H⁺은 수용액에서 산성을 나타낸다

 

2. 금속의 수소반응

1) 금속과 수소이온 사이의 반응은 금속을 산 수용액(수용액에서 H⁺을 내놓는 것을 의미한다.)에 넣었을 때의 반응을 이용하는 것이다.

2) 산의 공통적인 특성 중 하나는 금속과 반응 시 수소기체가 발생한다는 것이다.

3) 산의 수소 이온(H+)은 금속과 반응하여 환원되어 수소기체 (H2)가 되고 금속은 산화된다.

4) 금속의 이온화 경향을 기준으로 수소는 대부분의 금속보다 작다.

5) 이온화 경향이 큰 금속일수록 반응성이 커서 전자를 잃고 산화되기 쉽다.

6) 전자를 잃었을 때 산화되고 전자를 얻었을 때를 환원되었다고 한다.

본 실험에서는, 염산(HCl)에는 수소(H+) 이온이 있고 여기에 반응성이 더 큰 마그네슘(Mg)을 넣으면, 마그네슘(Mg)은 전자를 내놓으면서 자신이 이온이 되려 한다(산화반응). 그리고 마그네슘(Mg)이 내놓은 전자는 수소이온(H+)이 받아 수소가 제조된다(환원반응).

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

1) 마그네슘(Mg) 리본, 염산(HCl), 성냥, 100㎖ 삼각 플라스크, 핀셋, 비커

실험 방법

1. 실험 과정

1) 100㎖ 삼각 플라스크에 Mg 리본 조각을 넣는다.

2) HCl을 소량 넣어 반응이 일어나는 것을 확인한다. (HCl을 너무 소량 넣을 경우 수소가 충분히 발생하지 않기 때문에 주의한다.)

3) 반응이 급격히 일어나므로 플라스크 입구를 비커로 덮는다

4) 반응이 충분히 진행되면 성냥불을 가까이 대어 수소가 생성되었음을 확인한다.

주의 사항

1. 염산을 다룰 때, 피부에 닿지 않도록 조심

2. 반응이 급격하게 일어나므로 기체가 새어나지 않게 삼각 플라스크 입구를 비커로 막기

3. 불을 사용하는 실험이니 조심.

실험 결과 및 토의

1. 결과 분석

마그네슘 리본에 묽은 염산을 떨어뜨린 결과 리본주위에 기포가 생겼다. 이는 Mg(마그네슘)와 HCl(묽은염산)이 만나 산화 환원 반응을 하여 수소 기포가 생긴 것을 볼 수가 있다. 또한 가연성인 수소 유무를 판단하기 위해 성냥불을 갖다 대어 ‘펑’소리가 남으로써 H2인 수소가 생성됨을 확인하는 실험이다.

화학 반응식 : 2HCl + Mg → MgCl2 + H2

수소 이온이 전자를  얻어(환원반응) 수소기체가  된다. 그리고 만들어진 수소기체를 확인하기  위하여  성냥불을 붙여서 비커 안에 넣어보니 펑 소리가 나면서 성냥불이 꺼졌다. 여기서 펑 소리가 나는 것은  2H2 + O2 → 2H2O가 되는 과정에서 수소의 연소에  의한 폭발  때문이다.

따라서 비커 안에 수소가 제조되었다는 사실을 알 수 있었다. 본 실험은 간단한 실험으로 별다른 어려움 없이 잘 진행되었다. 간단하게 수소를 제조하고 수소의 성질을 파악할 수 있는 실험이 였다.

 

2. 실험 고찰

금속 마그네슘과 염산의 수소이온이 만나 화학반응을 일으킬 때 이온화 경향에 의해 이온화 경향이 작은 수소가 환원되어 수소기체가 되는 원리를 이용해 수소 가스의 발생을 확인하였다. 

발생 기체에 불을 가까이 때 소리와 함께 반응한 것으로 보아 산소와 혼합되어있는 수소를 점화하였을 시 폭발적으로 물을 생성하는 수소기체의 특성을 드러낸 것으로 결과를 도출하였다.

수소기체를 수집하는데 있어 많은 주의사항을 요한다. 수소기체가 새어나가지 않고 잘 포집하기 위해서는 공기보다 가벼운 기체를 모으는 기체 포집 방법인 상방치환을 사용하는 것이 더 좋은 효율을 보일 것이라고 생각했다.

상방치환