시계반응

실험 제목: 시계반응
실험 목적: 시계 반응을 이용해서 반응 속도의 차이가 큰 반응 단계가 연속적으로 일어나는 화학반응의 특성을 알아본다.

실험이론

시계반응
시계반응은 마치 중화점을 찾는 반응처럼 반응 도중에 갑자기 색이 변해 그 것이 마치 자명종처럼 보인다해서 붙여진 이름이다. 이 것은 여러 가지 반응들이 몇 단계에 걸쳐 일어나는 원리를 이용한 것이다. 지시약을 같이 넣어두었다가 첫 번째 반응에서 생성되었던 물질과 두 번째 반응에서 반응하는 물질이 모두 소모되면, 첫 번째 과정에서 생성되었던 물질이 남게 되어 그 것이 지시약의 색을 갑자기 변화시킨다. 이렇게 갑자기 변하는 반응이 시계와 같다고해서 시계반응(Clock Reaction) 이라고 한다.

반응속도론(Reaction Kinetics)
화학반응의 속도 및 이와 관련한 문제를 다루는 물리화학의 한 분야를 말한다. 반응속도의 물질 농도에 대한 의존성을 dusrngkadmfhTJ 반응속도식, 반응속도상수를 구하고, 반응메커니즘에 대하여 다루는 화학동역학 등을 포괄한다. 반응속도론은 시간이 무한대로 주어졌을 때, 열역학과 같은 결과를 나타낸다.

반응속도( Reaction velocity)
화학반응이 진행하는 속도를 “반응속도”라 한다. 화학반응의 빠르기를 나타내는 정도로 단위시간 동안 생성물질의 변화량 또는 단위시간 동안 반응물질의 변화량으로 나타낸다. 즉, 보통 단위시간에 대한 반응물질의 소실량 또는 생성물의 생성량으로 나타낸다. 반응속도는 빠른반응과 느린반응이 있다. 반응이 진행될수록 반응속도는 감소한다. 그 이유는 두 물질이 화학반응을 일으키기 위해서는 우선 두 물질을 구성하는 입자들이 충돌해야하는데, 반응이 진행될수록 반응물질의 양은 점점 감소하므로, 입자들의 충돌 횟수도 적어지기 때문이다. 반응속도는 시약의 농도, 온도, 압력등 실험 조건에 따라 변화하며, 이들을 포함하는 식으로 표시한다.

반응속도 조절요인

1. 농도와 반응속도
화학반응이 일어나려면 반응물질의 입자들이 충돌해야 한다. 농도가 증가하면, 일정한 부피에 들어있는 입자의 수가 많아진다. 따라서 충돌 횟수가 많아지고 유효충돌하는 분자수가 많아져서 반응속도가 빨라진다.
즉, 농도증가→분자들의 입자 수 증가→분자들의 충돌횟수 증가→반응속도 증가
(기체반응: 압력증가→부피감소→농도증가→반응속도증가)

2. 온도와 반응속도
온도가 증가함에 따라 활성화에너지가 가지는 분자수가 증가하여 반응속도가 증가하게 된다. 그 이유는 온도가 증가하게 되면 활성화에너지에 도달하는 분자수가 증가하게 되고 EK라서 반응속도가 증가하게 된다. 반응속도는 10℃ 증가함에 EK라 약 2배가 증가한다.

3. 촉매와 반응속도
자신은 변화하지 않으나 반응의 활성화 에너지만을 변화시켜 반응속도를 조절하는 물질을 “촉매” 라고 한다.
정촉매: 활성화 에너지를 감소시켜 반응속도를 빠르게 한다.
부촉매: 활성화 에너지를 증가시켜 반응속도를 느리게 한다.

실험기구 및 시약
삼각플라스크 () , 피펫(), 눈금실린더(),
온도계(1~100℃), 초시계, 드롭퍼, 씻기병, 빨게, , ,
, , , 녹말지시약

실험방법
1. 실험 결과를 얻기 위해서는 표 24-1의 반응 혼합물 중에서 적어도 3가지 이상의 실험을 해야 한다.  피펫을 사용해서  삼각플라스크와  삼각플라스크에 표 24-1에 표시된 용액을 정확하게 측정해서 넣는다.  와  용액의 부피는 피펫으로 정확하게 측정해야 하지만, 과 용액은 눈금실린더로 측정해도 된다.
2. 플라스크에 온도계를 넣고, 초까지 읽을 수 있는 시계를 준비한다.
3. 플라스크에 용액 를 정확하게 측정해서 넣고, 녹말 지시약 몇 방울을 넣는다.
4. 에 담긴 용액을 손실이 없도록 조심해서 재빨리 플라스크에 붓고, 반응시작 시간을 기록하거나 스톱워치를 작동시키고, 잘 흔들어준다.
5. 용액이 진한 청색으로 바뀔 때까지 걸리는 시간을 측정해서 기록하고, 용액의 온도를 기록한다.
6. 다른 혼합물을 넣기 전에 플라스크를 깨끗이 씻고 가능한한 물기를 없애는 것이 좋다.

 

토의

 

이번 실험은 시계반응으로 마치 중화점을 찾는 반응처럼 반응 도중에 갑자기 색이 변해 그 것이 마치 자명종처럼 보인다 해서 붙어진 이름이다. 이번 실험은 반응이 2단계로 나누어져 일어나는데 KI가 I3- 가 되고 I3-가 3I-가 되는데 두 반응 중 KI에서 I3-로 되는 반응이 I3- 에서 3I-로 되는 반응보다 반응속도가 현저히 느려 이 반응의 반응속도를 측정한다. I3-는 녹말과 반응하면 청색이 나오므로 녹말과 반응시켰다.

느린 반응인 3I-(aq) + S2O82-(aq) → 2SO42-(aq) + I3-(aq) 가 먼저 일어나고 여기서 생성된 I3-가 빠른 반응인 i3-(aq) + 2s2o3-(aq)  →  3i-(aq) + s4o6-(aq) 가 되는 반응에 의해서 소모되고 s2o3-가 모두 소모되면 남은 i3-에 의해 색깔을 띄게 된다

 반응속도의 변화요인으로는 온도와 시간이 있는데 이번 실험에서는 일정한 온도 속에서 농도를 변화시켜 시계반응을 보았다.

실험할 때 실수로 na2s2o3를 넣지 않고 반응시켜보았는데 시약을 넣자마자 바로 청색으로 변하였고 다시 제대로 na2s2o3를 넣으니 변색까지 걸린 시간이 30초대로 늘어나는걸 보아 na2s2o3는 부촉매로서 작용한 것 같다.

kI와 na2s2o3를 넣은량은 같고 (na4)2s2o8과 na4)2s2o4의 양을 달리한 1번(na4)2s208=10ml, (na4)2s2o4=X)과 3번((na4)2s208=5ml, (na4)2s2o4=5ml) 과 4번((na4)2s208=2.5ml, (na4)2s2o4=7.5ml)) 실험을 비교해봤을때 (na4)2s2o4가 많이 들어가면 반응속도가 느려지는 것을 관찰할 수 있었다. 그리고 kcl을 넣은 량만 틀린 1번(5ml)과 2번(X) 실험을 비교해 보았을 때 kcl을 넣었을 때 반응속도가 느려지는 것을 관찰할 수 있었다. 따라서 이번 실험의 부촉매 역할은 kcl과 (na4)2s2o4 로 추정 할 수 있다.