시계반응 예비레포트

- 실험 목표

 

 화학반응속도에 영향을 주는 여러 가지 요인들을 알아보고 농도값에 따라 화학반응속도의 변화의 차이를 두어 실험을 통해 확인해본다.

 

 

 

- 실험 이론

 

▶ 시계반응의 개념

 

 화학반응에는 단순한 과정뿐만 아니라 여러 반응들이 단계적으로 걸쳐 발생한다.

 

 시계 반응은 이러한 원리를 이용한 것으로 적정 후 시간을 두어 색변화를 관찰 하는 것으로 지시약을 같이 넣어둔 첫 번째 반응에 생성된 물질과 두 번째 반응에 반응한 물질이 모두 소모되면 첫 번째 과정에서 생성되었던 물질이 남게 되어 그것이 지시약의 색을 변화시킨다.

 

 하지만 그 전에는 아무런 변화를 느끼지 못하고 갑자기 변하는 반응이 시계와 같다고 해서 시계반응이라고 하며, 색변화 시 반응이 끝났음을 알 수 있다.

 

 

 

▶ 반응속도

 

 반응속도란 화학반응에서 반응물의 농도와 단위시간당 감소율을 의미한다.

 

 가역반응이 진행되면 반응물질의 농도는 감소하고 생성물질의 농도는 증가하는데 이때 반응물질이나 생성물질 농도의 변하는 화학반응 속도에 따라 다르며 반응속도는 시간에 따른 반응물질과 생성물질의 농도변화량으로 나타낸다.

 

 하지만 반응물질이 생성물질로 바뀌는 순간 반응속도는 달라지기 때문에 변화하는 특정시간에서 순간반응속도를 고려해야한다.

 

 

 

 반응속도는 시간에 따른 반응 물질의 농도변화그래프의 기울기에 해당되며 그래프에서 기울기가 작아질 수록 반응속도가 점점 느려지는 것을 의미한다.

 

 순간반응속도는 수학적으로는 농도를 시간으로 미분한 것으로 V = - dc/dt로 나타낼 수 있다.

 

 이 식에서 dc는 반응물질의 농도변화량을 나타내고, dt는 시간의 변화량을 나타낸다.

 

 반응 물질의 농도가 시간이 지남에 따라 감소하기 때문에 음(-)의 부호를 붙인다.

 

 

 

▶ 화학반응속도

 

 반응물의 농도, 반응계의 온도와 압력 등은 화학반응 속도에 영향을 미친다. 반응속도가 반응물 농도의 n승에 비례할 때 이를 n차반응이라고 하며 반응속도와 농도의 상관관계를 측정하여 반응차수를 결정할 수 있다.

 

 

 

▶ 반응속도와 농도

 

 화학반응이 진행되기 위해서는 유효충돌이 일어나야하기 때문에 단위부피내에 입자 수가 많을수록 화학반응은 빨리 일어난다. 부피 내에 입자 수가 많아지면 유효충돌 횟수가 많아지는 것이지 충돌이 일어나는 것이 반응이 일어나는 것이 아니므로 입자 수에 반응속도가 정확하게 비례한다고는 할 수 없다.

 

 화학반응이 진행되면 반응물이 생성물로 전환되므로 반응물질의 농도는 점점 낮아지고 시간이 지날수록 화학반응의 속도가 느려지게 되다가 결국엔 멈추게 된다.

 

 

 

▶ 고체의 표면적과 반응속도

 

 고체를 이용한 화학반응에서 반응의 속도를 증가시키기 위해서 온도를 높이거나, 촉매를 사용하면 된다. 고체의 경우 농도를 증가시킬 수는 없으며 순수한 고체의 밀도는 일정하다.

 

 그러므로 고체의 농도는 항상 일정하다. 기체의 경우 압력을 증가시켜 부피를 줄어들게 하면 단위 부피속의 기체 입자의 수가 증가하므로 곧 농도가 증가되는 효과를 가져오지만 고체는 압력을 증가시켜도 부피가 거의 변하지 않는다.

 

 

 

▶ 촉매의 영향

 

 자신은 변화하지 않으나 반응의 활성화 에너지만을 변화시켜 반응속도를 조절하는 물질을 촉매라고 한다. 촉매에는 활성화 에너지를 감소시켜 반응속도를 빠르게 하는 정촉매와 활성화 에너지를 증가시켜 반응속도를 느리게 하는 부촉매가 있다.

 

 

 

 

- 실험 방법

 

① 50mL 비커(비커 1)에 눈금 피펫으로 20.0mL의 0.200M KI 용액을 정확히 취하여 넣는다.

 

② 다른 50mL 비커(비커 2)에 20.0mL의 0.100M (NH₄)₂S₂O8용액을 눈금 피펫으로 정확히 취하여 넣는다.

 

③ 또 다른 100mL 비커(비커 3)에 10.0mL의 0.005M Na₂S₂O₃용액과 1mL의 녹말 지시약을 눈금 피펫으로 정확히 재어 넣는다.

 

④ 비커 1과 2의 용액을 비커 3에 용액의 소실 없이 가능한 한 빨리 붓고 반응 시작 시간을 기록하는 동시에 잘 흔들어 섞어준다.

 

⑤ 반응 용액의 색깔이 변색되는 순간의 시간을 기록하고 용액의 온도를 기록한다.

 

⑥ 이와 같은 방법으로 표에 있는 반응 2와 3을 실시한다.

 

⑦ 각각의 실험을 두 번 더 반복하여 실시한다.