진다. - k이 값이 클수록 반응은 빨리 진행된다. ♡실험적용 → 과산화수소를 요오드화칼륨 촉매를 써서 분해하면 산소와 물이 생성된다. 반응속도(v) = k[H2O2]m × [KI]n 3% H2O2(㎖) 0.15M KI(㎖) 증류수(㎖) 전체 부피(㎖) 반응 A 5 10 15 30 반응 B 10 10 10 30 반응 C 5 20 5 30 Va = k[5]m[10]n Vb = k[10]m[10]n Vc = k[5]m[20]n log(Vb/Va) = mlog2 ≒ 0.3m log(Vc/Va) = nlog2 ≒ 0.3n 6. Procedure 1) 기체부피 측정장치를 설치한다. 2) 반응 용기에 0.15M KI 10㎖와 증류수 15㎖를 넣고 흔들어주어서 혼합물의 온도가 물통에 담긴 물의 온도와 같아지도록 한다. 3% H2O2 용액 5㎖를 넣고 마개를 막은 다음 잘 흔들어준다. 이 때 체온 때문에 반응 용기의 온도가 올라가지 않도록 반응 용기의 끝 부분만 잡는 것이 좋다. 3) 약 2㎖의 산소가 발생될 때부터 시간을 재기 시작한다. 발생한 기체에 작용하는 압력이 일정한 상태에서 산소 기체의 부피를 측정해야 하기 때문에 수위 조절 용기의 높이를 기체 부피 측정관의 물 높이에 따라서 움직이면서 산소 기체의 부피를 측정해야 한다. 산소 기체가 2㎖씩 생성될 때마다 걸린 시간을 측정하는 일을 산소 기체의 부피가 14㎖가 될 때까지 반복한다. 4) 반응 용기를 증류수로 깨끗이 씻은 다음에 0.15M KI 용액 10㎖, 증류수 10㎖, 3%H2O2 용액 10㎖를 가지고 반복한다. 5) 4)와 같이 0.15M KI 용액 20㎖, 증류수 5㎖, 3% H2O2 용액 5㎖를 가지고 반복한다. 7. Data & Result 산소의 부피 (㎖) 반응 A 반응 B 반응 C 0.15M KI 10㎖ 0.15M KI 10㎖ 0.15M KI 20㎖ 증류수 15㎖ 증류수 10㎖ 증류수 5㎖ 3% H2O2 5㎖ 3% H2O2 10㎖ 3% H2O2 5㎖ 2.0 55 sec 12 sec 31 sec 4.0 114 sec 28 sec 60 sec 6.0 192 sec 58 sec 80 sec 8.0 252 sec 77 sec 97 sec 10.0 300 sec 90 sec 157 sec 12.0 358 sec 100 sec 176 sec 14.0 413 sec 114 sec 193 sec 반응 속도 (㎖/sec) 0.0334 0.1129 0.0686 ● 그래프[시간(초) - 부피(㎖)] ● 반응차수 m log(Vb/Va) = mlog2 ≒ 0.3m ● 반응차수 n log(Vc/Va) = nlog2 ≒ 0.3n ● 속도상수 k 8. Discussion 이번 실험은 목적은 화학반응의 속도식을 나타내는 데에 필요한 속도상수와 반응차수를 실험적으로 결정해보는 것이다. 반응속도는 활성화 에너지, 온도. 반응물의 농도. 반응물이 고체일 경우에는 표면적, 촉매, 압력의 영향을 받는데. 이번 실험에서는 반응물의 농도를 변화를 알아보는 것이었다, 먼저 기체부피측정장치를 설치한 후, 반응 용기에 0.15M KI 10㎖와 증류수 15㎖를 넣고 흔들어주어서 혼합물의 온도가 물통에 담긴 물의 온도와 같아지도록 했다. 3% H2O2 용액 5㎖를 넣고 마개를 막은 다음 잘 흔들어준다. 이 때 반응 용기의 끝 부분만 잡는 것은 체온 때문에 반응 용기의 온도가 올라가 반응 속도에 영향을 주지 않게 하기 위함이다. 약 2㎖의 산소가 발생될 때부터 시간을 재기 시작했고, 수위 조절 용기의 높이를 기체 부피 측정관의 물 높이에 따라서 움직이면서 산소 기체의 부피를 측정해야 했는데, 용기의 높이가 변한다면 발생한 기체에 압력이 다르게 가해져 반응속도에 변화가 생기기 때문이다. 산소 기체가 2㎖씩 생성될 때마다 걸린 시간을 측정하는 일을 산소 기체의 부피가 14㎖가 될 때까지 반복했다. 반응 용기를 증류수로 깨끗이 씻은 다음에 각각 0.15M KI 용액 10㎖, 증류수 10㎖, 3%H2O2 용액 10㎖, 0.15M KI 용액 20㎖, 증류수 5㎖, 3% H2O2 용액 5㎖를 가지고 반복했다. 엑셀을 이용하여 표에 실험결과에 따라 표시한 점들을 이으면 일직선그래프의 기울기가 반응 속도가 된다. 반응 속도를 구한 결과 가장 농도가 낮았던 혼합물A( 0.15M KI 10㎖와 증류수 15㎖, 3% H2O2 용액 5㎖)의 반응 속도가 제일 낮았고, 혼합물B( 0.15M KI 10㎖와 증류수 10㎖, 3% H2O2 용액 10㎖)의 반응 속도가 제일 높았다. 혼합물C의 경우에는 혼합물A보다는 반응속도가 높았지만 혼합물C보다는 낮았다. 이 결과를 봤을 때, 반응물질의 농도가 높으면 반응속도가 증가한다는 것을 볼 수 있었다. 농도가 높아져 단위 부피속의 입자의 수가 증가하면 입자간 충돌횟수가 증가하여 반응속도가 빨라지기 때문이다. 또한 반응물이 두 개일 경우 한 반응물의 농도가 일방적으로 높은 것 보다 두 반응물 모두의 농도가 높은 쪽의 반응속도가 더 빠르다는 것을 알 수 있었다. 속도 상수K의 값은 혼합물 A, B, C는 14.45, 12,15, 14.84가 나왔다. 속도 상수의 값은 반응속도와 반응물의 농도와의 관계를 규정하는 값이므로 농도의 영향보다 각각의 특정한 반응, 온도, 촉매의 존재여부에 달라진다. 혼합물 A와 B의 속도상수를 비교해보면 속도상수의 값은 반응물질인 H2O2의 농도가 증가하고 속도상수의 값은 떨어지고 반응속도는 증가했다. 혼합물 A와 C를 비교 했을 때 반응물질인 KI(촉매지만 반응식에 쓰였기 때문에)의 농도가 증가하고 속도상수는 거의 변함이 없고 반응속도는 증가했다. 여기서 농도는 반응속도에 변화를 주지만 속도상수에는 영향을 주지 못한다는 사실을 알 수 있었다. 그래프에 나온 계산값 R2이 1에 가까울수록 일정한 속도가 유지되는 것이며, 혼합물A.B.C 각각 0.996. 0.9716, 0.9737가 나왔다. 9. Reference 일반화학 / MASTERTONHURLEY / 자유아카데미 / 2002 / P 380 ~ 407 일반화학4th edition / John McMurry 외 1명 / 녹문당 / 2008 / P 444 ~ 482
본문내용
발생하기 시작하면 기체의 부피가 급격히 증가하여 rubber septum이 부풀어 오를 수 있다. 이때는 손으로 약간 눌러준다. 4. 산소 기체가 발생하여 주사기의 눈금이 10 mL가 넘게 되면 주사기의 피스톤이 날아갈 수 있 으므로 시간 측정이 끝나면 바로 고무 호스를 분리한다. 측정결과 (results) 실험 온도 25.0°C 산소 발생에 걸린 시간(초) 산소의 부피 (mL) 실험1 실험2 실험3 KI 10.0 mL KI 10.0 mL KI 20.0 mL 3.0% H2O2 5.0 mL 3.0% H2O2 10.0 mL 3.0% H2O2 5.0 mL 증류수 15.0 mL 증류수 10.0 mL 증류수 5.0 mL 2.0 0 초 0 초 0 초 4.0 32.00 초 4.99 초 18.46 초 6.0 63.57 초 11.61 초 38.65 초 8.0 97.96 초 14.79 초 54.16 초 10.0 129.06 초 16.82 초 65.60 초 2. 반응속도 산소의 부피의 변화 구간 (mL) 반응 속도 실험1 실험2 실험3 mL/s 단위 (mL/s) M/s 단위 (M/s) mL/s 단위 (mL/s) M/s 단위 (M/s) mL/s 단위 (mL/s) M/s 단위 (M/s) 2~4 2*2.0/32.00 =0.13 0.0053/32.00 =0.00017 2*2.0/4.99 =0.80 0.0053/4.99 =0.0011 2*2.0/18.46 =0.22 0.0053/18.46 =0.00029 4~6 2*2.0/31.57 =0.13 0.0053/31.57 =0.00017 2*2.0/6.62 =0.60 0.0053/6.62 =0.00080 2*2.0/20.19 =0.20 0.0053/20.19 =0.00026 6~8 2*2.0/34.39 =0.12 0.0053/34.39 =0.00015 2*2.0/3.18 =1.3 0.0053/3.18 =0.0017 2*2.0/15.51 =0.26 0.0053/15.51 =0.00034 8~10 2*2.0/31.10 =0.13 0.0053/31.10 =0.00017 2*2.0/2.03 =2.0 0.0053/2.03 =0.0026 2*2.0/11.33 =0.35 0.0053/11.33 =0.00047 산소의 몰수 nH2O = 1 atm*0.0020 L / 0.08206 Latmmol-1K-1*298K nH2O = 8.2*10-5 mol H2O2의 몰수 H2O2 : O2 = 2 : 1 x = 2*8.2*10-5 mol = 1.6*10-4 mol H2O2의 몰농도 1.6*10-4 mol/ 0.0300 L= 0.0053 M 3. 초기 반응 속도법을 이용하여 구한 반응 차수와 반응 속도식 v1=0.13 mL/s v2=0.80 mL/s v3=0.22 mL/s 3-1. m(H2O2에 대한 반응 차수) : m = 2.6 3-2. n(KI에 대한 반응 차수) : n = 0.76 3-3. 반응 속도식(속도 상수=k, 반응속도=v) : v= k[H2O2]2.6[KI]0.76 4. 초기 반응 속도법을 이용한 속도 상수 계산 4-1. 실험1 : 0.13 mL/s= k[5 mL]2.6[10 mL]0.76 k= 0.13 mL/s/[5 mL]2.6[10 mL]0.76 k= 3.4*10-4 /mL2.4s 4-2. 실험2 : 0.80 mL/s= k[10 mL]2.6[10 mL]0.76 k=0.80 mL/s/[10 mL]2.6[10 mL]0.76 k=3.4*10-4 /mL2.4s 4-3. 실험3 : 0.22 mL/s= k[5 mL]2.6[20 mL]0.76 k=0.00029 Ms-1/[5 mL]2.6[20 mL]0.76 k=3.4*10-7 /mL2.4s 4-4. 평균 속도 상수 (3.4*10-4 /mL2.4s + 3.4*10-4 /mL2.4s +3.4*10-4 /mL2.4s)/3=3.4*10-4 /mL2.4s 고찰 (consideration) (1) H2O2의 분해 반응에서 KI를 넣어 주면 반응이 빨리 일어난다. KI가 어떻게 촉매 작용을 하는지 그 화학 반응 메커니즘을 조사해보라. 그리고 H2O2의 분해 반응에 사용되는 촉매로는 어떤 화합물이 사용되는지 조사해 보라. H2O2의 분해 반응에서 KI를 넣어 주면 반응이 빨리 일어난다. 아래와 같이 KI가 용해되면 I-이온이 생성되어 정촉매 역할을 한다. H2O2 + I-→ H2O + IO- H2O2 + IO-→ H2O + O2 + I- 따라서 H2O2의 분해 반응이 빠르게 일어나게 된다. H2O2의 분해 반응에 사용되는 촉매는 MnO2, catalase, NaBr 등이 있다. (2) H2O2의 분해 반응은 비교적 큰 발열반응이다. 그럼에도 불구하고 상온에서는 반응이 매우 더디게 일어난다. 그 이유를 생각해 보라. 화학반응은 온도가 높을수록 분자의 운동 에너지가 커져 빠르게 일어난다. 이에 H2O2의 분해 반응이 일어나려면 반응물은 활성화 에너지를 극복할 수 있는 만큼 큰 에너지를 가져야 한다. 그러나 H2O2의 분해 반응은 비교적 큰 발열 반응임에도 불구하고 상온에서는 반응이 매우 더디게 일어난다. H2O2의 분해 반응이 일어나려면 반응물은 활성화 에너지를 극복할 수 있는 만큼 큰 에너지를 가져야 하는데 상온에서는 활성화 에너지 이상의 운동 에너지를 갖지 않기 때문에 반응이 더디게 일어난다. (3) 반응 용액의 전체 부피를 같게 하면 반응 차수를 구하는데 있어서 반응물의 부피를 반응물의 농도 대신 사용할 수 있다. 그 이유는? 화학반응에서 반응기 내의 부피가 일정하다고 가정하고 입력되는 양이나 출력되는 양 역시 부피를 알 수 있다고 하면 그 부피는 곧 농도가 된다. 이것이 몰농도의 개념인데 몰농도는 부피를 기준으로 한다. 즉 1M는 용액 1L 안에 1몰의 물질이 들어있다는 것인데 이 1M 용액 0.1L를 다른 비커에 담는다면 이 비커에 있는 0.1L는 마찬가지로 1M의 농도를 지닌다. 그렇기에 다른 순수한 용매에 희석시키지 않는 이상 양에 관계없이 그 용액은 농도가 일정하다. 그렇기에 반응 용액의 전체 부피를 같게 하면 반응 차수를 구하는 데 있어서 반응물의 부피를 반응물의 농도 대신 사용할 수 있다. 화학반응속도
