실험 목적
1. 실험 전 가정을 하고 검증실험을 할 수 있다.
2. 산과 금속의 반응을 관찰할 수 있다.
3. 산과 금속의 반응을 이용하여 부식된 금속의 표면을 깨끗하게 할 수 있다.
실험 이론 및 원리
1. 실험 배경
물기가 많은 곳의 금속은 쉽게 녹이 슨다. 이것은 물이 금속과 산소가 만나는 것을 도와주기 때문이다. 금속과 산소가 만나면 녹슨 상태가 되는데, 이러한 변화를 산화라고 한다. 산화는 쉽게 말해 산소가 달라붙었다는 것인데 금속의 산화는 산성용액에서 특히 잘 이루어진다. 실험에서는 이와 같은 금속의 특성을 이용해 오히려 금속의 부식된 부분을 닦아내어 보았다. 실험에서 산성 용액에서 금속이 빠르게 산화되는 것을 확인할 수 있다.
녹슨 구리는 이미 산화되어 있는 것인데, 이것을 산성 용액인 구연산을 녹인 용액에 담그면 녹슨 곳의 안쪽 표면에 빠르게 산화가 일어나며 이미 녹슨 표면이 약해지는데 적당한 시기에 꺼내서 닦아주면, 깨끗하게 되는 것이다. 실험에 이용된 소금과 물은 금속의 빠른 산화를 돕는 물질, 즉 촉매의 역할을 하였고, 소금과 구연산이 물에서 만나는 순간 발생한 소량의 염산은 산성도를 올렸다.
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| 산화 환원 과정 |
2. 금속의 부식
금속이 그 표면에서 화학적 또는 전기적으로 산화 또는 변질되어 가는 것을 부식이라 하며, 그 원인은 공기 중의 물과 산소이다.
3. 구리의 특징
① 붉은색의 광택을 지니고 있다.
② 전기 전도율이 높아 각종 전선으로 이용된다.
③ 연성과 전성이 좋아 구리관, 파이프, 막대 등으로 이용되고 있습니다.
④ 착색 및 도금 등 표면 처리가 용이하여 공예품에 이용됩니다.
4. 구리의 산화
① 검붉은 구리는 공기속의 산소와 빨리 반응하지 않으나, 서서히 산화해 검은색의 산화구리로 변합니다.
② 산화구리 보호막은 매우 조밀하여 내부에 있는 구리를 보호해 줍니다.
③ 오래된 서양 건물의 돔을 보면 대부분 검은 금속으로 덮여 있는데, 이는 얇은 산화구리 층의 색깔이며, 그 밑에는 불그스름한 구리가 그대로 있습니다.
5. 촉매
화학반응에서 반응물질 이외의 것으로, 그 것 자체는 반응 전후에 있어서 변화가 없으면서 반응 속도만을 변화시키는 물질을 말합니다.
6. 산성도
산 용액 중의 산성 강도를 표시하는 척도. 일반적으로 수소이온 지수 pH로 표시한다. 염기성도는 마찬가지로 산 용액 중의 염기성 강도를 표시한다. pH로 표시하기 어려운 경우에는 산 강도 및 염기 강도 혹은 산도함수 등으로 표시한다. 산도라고도 하며 예전에는 산도가 많이 사용되었다.
7. 실험 가정
물과, 소금, 구연산 중 구리를 깨끗하게 한 것은 산성물질인 구연산일 것이다.
8. 응용 방안
귀금속이나 장신구의 표면이 부식되었을 때, 이 방법을 활용하여 표면의 녹슨 부분을 제거할 수 있다.
금속재료에서 산화가 되면 산화피막이 형성되어 표면이 두꺼워져서, 열전도도와 전기전도도가 떨어지는 문제점이 발생하게 되는데, 이 방법을 활용하여 열전도도와 전기전도도를 개선시킬 수 있다.
수도배관이나 파이프 내부가 산화 되었을 때, 이 방법을 활용하여 파이프내부 표면의 산화물을 제거함으로써 유동성을 높일 수 있다.
실험 기구 및 시약
1. 실험 재료
페트리접시2개, 구연산, 나무막대, 소금, 구리조각, 물, 휴지
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실험 방법
1. 실험 과정
1) 한개의 페트리접시에 물과 구연산과 소금을 넣는다.
나무막대로 저어서 녹입니다.
2)구리조각을 넣고, 막대로 저은 후 구리조각을 휴지위로 꺼내고, 휴지로 닦아본다.
어떤 물질이 구리를 깨끗하게 한 것인지 생각하거나 이야기해 본다.
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| 소금,물,구연산 혼합용액에 구리를 넣었을 때, 떨어져 나온 산화물질 |
3) 또 다른 페트리접시에 물을 담고, 구리조각을 넣어 실험과정 2를 반복한다.
구리조각에 큰 변화가 없다.
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4) 물이 들어 있는 페트리접시에 소금을 녹인 후, 실험과정 2를 반복한다.
구리조각에 큰 변화가 없다.
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5) 물과 소금이 녹아있는 페트리접시에 구연산을 녹인 후 실험과정2를 반복한 다음, 구리조각의 변화를 관찰해 본다.
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실험 결과 및 토의
1. 실험 고찰
실험전과 비교해 봤을 때, 사진에서 보는바와 같이 물과 구연산과 소금을 함께 넣었을 때가 가장 구리의 녹슨 부분이 깨끗하게 닦이고, 속도가 가장 빠름을 알 수 있다. 물의 경우에는 이전과 비교해 봤을 때, 큰 변화가 없고, 소금은 촉매역할로써, 반응속도를 빠르게 할 뿐, 화학반응에는 직접적으로 관여하지 않으므로 크게 변화가 없음을 알 수 있다. 그리고 가장 마지막에 있는 물과 소금을 먼저 넣고, 나중에 구연산을 넣은 경우에도 이전과 비교해 녹슨 부분이 처음과 같이 많이 사라졌음을 확인할 수 있다.
본 실험을 통해서 산성물질인 구연산이 녹슨 구리의 안쪽 표면에 빠르게 산화를 일으켜서, 이미 녹슨 구리표면은 약해지게 만들어서 표면의 녹슨 부분이 사라지게 된다는 것을 알 수 있다. 그리고 물과 소금은 이 실험에서 이전과 비교했을 때, 변화한 점이 없는 것으로 보아 촉매작용을 할 뿐, 직접적으로 화학반응에는 관여하지 않음을 확인할 수 있다.
2. 결론
실험에서 물과, 소금, 구연산 중 구리를 깨끗하게 한 것은 산성물질인 구연산일 것이라는 가정을 세웠는데, 실험결과에서 알 수 있듯이 구리를 깨끗하게 한 것은 구연산이라는 것을 알 수 있다.