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[자연과학][일반화학실험] 시계 반응

[일반화학실험] 시계 반응
(1)Abstract
-속도 결정 단계가 포함된 메카니즘으로 일어나는 화학 반응 중에서 반응이 시작되고 일정한 시간이 지난 후에 갑자기 용액의 색깔이 변하는 반응을 시계 반응(Clock reaction)이라 한다. 이 실험에서는 시계 반응을 살펴보고, 시계 반응에서 이 반응의 반응 차수와 속도 상수를 구해보았다. 구한 결과 반응 차수 m=2, n=1 , 속도 상수 k=2749.7 이 나왔는데 잘 나온 값이라고 본다.

(2)Introduction
-이 실험은 시계 반응을 살펴보고, 반응이 걸리는 시간을 측정해서 반응 차수와 속도 상수를 구하는 실험으로 이에 대한 이론은 다음과 같다.

시계 반응에서는 느린 속도로 일어나는 첫 번째 반응에서 생성된 화합물이 빠른 속도로 진행되는 두 번째 반응에 의하여 곧 없어져 버리게 된다. 그러나 반응이 충분히 진행되어서 두 번째 반응에 필요한 반응 물질이 모두 없어진 후에는 첫 번째 반응의 생성 물질이 용액 속에 그대로 남게 되어서 용액 속에 함께 녹아있는 지시약의 색깔을 변화시키는 역할을 하게 된다.
이 실험에서는 과산화이황산 이온()으로 아이오다이드 이온()을 산화시키는 반응을 이용한 시계 반응을 살펴보고, 이 반응의 속도 상수를 결정한다. 가 산화되어서 만들어진 아이오다인()은 용액 속의 와 결합해서 형태로 존재하게 된다.

이 반응은 매우 느리게 진행되며, 반응 속도는 다음과 같다.

용액 속에 싸이오황산 이온()을 함께 넣어주면 위의 반응에서 만들어진 는 빠른 속도로 싸이오황산 이온과 반응해서 다시 로 환원된다.

그러나 용액 속에 들어있던 작은 양의 이 모두 없어지고 나면 첫번째 반응에서 만들어진 는 지시약으로 녹말과 결합해서 진한 청색을 나타낸다. 그러므로 반응이 시작되어서 진한 청색의 녹말-착물이 나타날 때까지 걸리는 시간은 용액에 넣어준 의 농도와 첫 번째 반응의 속도에 의해서 결정된다.
따라서, 반응 용액에 일정한 양의 를 넣고, 일정한 양의 와 를 혼합한 후에 진한 청색이 나타날 때까지의 시간을 측정하면 넣어준 가 완전히 없어질 때까지 걸리는 시간을 알 수 있고, 그 값으로부터 속도 상수와 반응 차수를 결정할 수 있다.

(3)Data and Results
실험A.Oscillating Reaction(대표 실험이었음.)
-무색이었다가 진해졌다가하는 과정을 반복한다.
실험B.Iodine Clock Reaction

반응 혼합물
100ml 플라스크
50ml 플라스크
1
10.0ml 0.20M KI
10.0ml 0.10M (NH4)2S2O8
2
5.0ml 0.20M KI
5.0ml 0.20M KCl
10.0ml 0.10M (NH4)2S2O8
3
10.0ml 0.20M KI
5.0ml 0.10M (NH4)2S2O8
5.0ml 0.10M (NH4)2SO4
-반응 혼합물의 구성은 다음 표와 같다.

[표1]

반응 혼합물
변색까지 걸린 시간(t)
상대 반응 속도(100/t)
1
73초
0.1M
0.05M
100/73
2
139초
0.05M
0.1M
100/139
3
152초
0.1M
0.025M
100/152
이 반응 혼합물의 양으로 계산한 값과 이 반응 혼합물로 실험한 결과는 다음과 같다.

[표2]

이때 반응 혼합물의 온도는
반응 혼합물1이 , 반응 혼합물2가 , 반응 혼합물3이 이다.
그리고 이 자료들을 통해 반응 차수와 속도 상수를 구해보면 다음과 같다.
우선, [표2]의 값들을 에 대입한다. 그러면,
-(1)
-(2)
-(3)
이다. 이때 (1)/(3)을 하면,
이고 여기서 n=1임을 알 수 있다.
그리고 (1)/(2)를 하면,
이고 m-n=1임을 알 수 있다. 그런데 n=1이므로
m=2가 된다. 이 때 (1),(2),(3) 식에 m, n값을 대입해서 k값을 각각 구하면,
(1):2739.7 (2):2877.7 (3):2631.6 이다. 그리고 이것들의 평균은 2749.7이다.
정리하면, 반응 차수는 m=2, n=1 이고 속도 상수는 k=2749.7이다.

(4)Discussion
-이번 실험에서는 시계 반응의 뜻과 시계 반응에서 반응 차수, 속도 상수 구하는 법을 알았다. 반응 차수는 정수가 나와야 하는데 측정값들로 반응 차수를 구해보니 거의 정수가 나왔다. 즉 색이 변하는 시각까지의 시간이 제대로 나온 것이다. 그래서 실험은 전반적으로 잘 되었다고 본다. 상대반응 속도를 구하는 과정에서 이것을 (100/t)로 놓았는데 분모 100은 상수를 그냥 넣은 것이다. 반응 속도의 절대적인 값이 없어도 상대적인 값으로 충분하기 때문이다.

(5)Reference
-표준 일반화학실험, 대한화학회, 천문각, 1999, pp. 191-196



자료출처 : http://www.ALLReport.co.kr/search/Detail.asp?xid=a&kid=b&pk=11079159&sid=leesk55&key=



[문서정보]

문서분량 : 3 Page
파일종류 : HWP 파일
자료제목 : 자연과학 자료실 일반화학실험 자료실 시계 반응
파일이름 : [자연과학][일반화학실험] 시계 반응.hwp
키워드 : 자연과학,일반화학실험,시계,반응,자료실
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