[화학및 실험1] 5주차 예비보고서, 금속의 활동도 서열 결정

[실험 제목]

금속의 활동도 서열 결정

[실험 목적]
금속과 금속이온 수용액과의 반응을 통해서 산화제와 환원제의 상대적인 세기를 정해본다.

[실험 이론]
다음 실험 이론을 조사하시오.

1.산화, 환원의 정의와 반응의 예를 조사하시오

산화 환원 반응은 원잣의 산화수가 달라지는 화학 반응이다. 산화 환원반응은 화학종 사이의 실제 또는 형식적인 전자 이동을 특징으로 하며, 가장 흔히 한 종(환원제)은 산화(전자 손실)를 겪고 다른 종(산화제)은 환원(전자 획득)을 겪는다. 전자가 제거된 화학종은 산화된 화학종이라고 하고 전자가 추가된 화학종은 환원된 화학종이라고 한다. 다시 말해서:

산화(Oxidation)는 분자, 원자 또는 이온이 산소를 얻거나 수소 또는 전자를 '잃는'것을 말한다.
환원(Reduction)은 분자, 원자 또는 이온이 산소를 잃거나 수소 또는 전자를 '얻는' 것을 말한다

반응의 예

산화환원 반응은 녹 형성에서와 같이 상대적으로 느리게 또는 연료 연소의 경우에서와 같이 훨씬니 더 빠르게 발생할 수 있다. 탄소를 산화시켜서 이산화 탄소(CO2)를 생성하거나 탄소를 수소에 의해 환원시켜 메탄(CH4)을 생성하는 것과 같은 간단한 산화환원 과정과 인체에서 포도당(C6H12O6)의 산화와 같은 복잡한 과정이 있다. 물의 결합 에너지와 이온화 에너지 분석을 통해 산화환원 전위를 계산할 수 있다.

2Ca(s) + O2(g) -> 2Ca)(s)
Ca는 Ca2+로 산화되고, 중성의 O2는 O2- 이온으로 바뀐다. 식과 같이, 전자가 Ca에서 O2로 이동하는 산화가 일어나 CaO가 생성된다. 원자, 이온, 분자들이 더 많은 음전하를 띠면(즉 전자를 얻으면), 그것은 환원되었다고 한다. 즉 물질이 전자를 얻는 것이 환원(reduction)이다.

정의

원래 고전적인 의미의 산화와 환원은 산소 원자의 이동을 말하였지만, 이후에는 산소의 이동보다는 수소와 전자, 특히 전자의 이동에 주목한다. 산화, 환원 반응이 일어날 때는 그 물질이 산화수가 변하며, 산화수의 변화를 기준으로 산화, 환원이 일어났음을 예측하기도 한다.

출처
위키백과 - 검색어 '산화 환원 반응'
브라운 일반화학 14판 p149~151 4.4장 산화-환원 반응

2. 산화제와 환원제에 대해 조사하시오.

산화 환원 과정에서 환원제는 전자를 산화제로 전달한다. 따라서 반응에서 환원제는 전자를 잃고 산화되고, 산화제는 전자를 얻고 환원된다. 특정 반응에 관여하는 한 쌍의 산화제와 환원제를 산화 환원 쌍이라고 한다.

산화제

산화제는 산화환원 반응에서 상대를 산화시키는 물질을 말한다. 반대로 상대를 환원시키는 물질은 환원제라고 한다. 산화제는 주로 비금속 원소들이 있는데 대체로 전자친화도가 큰 물질들이 그 예이다. 예를 들어 전자 친화도가 가장 큰 플루오린은 가장 강력한 산화제이다.
1. 상대에게 산소를 주거나,
2. 상대로부터 수소를 빼앗거나,
3. 상대에게서 전자를 빼앗는 힘이 있다.
이런 반응의 결과, 자신의 산화수는 감소한다.

환원제

환원제는 환원제 자신은 산화되면서 다른 물질을 환원시키는 성질이 큰 물질을 말한다. 이와 반대적 특성을 가진 물질은 산화제라고 한다. 물질마다 전자를 잃고 얻는 성질의 세기가 다르기 때문에 산화, 환원반응이 일어난다. 환원제의 경우, 대상 물질에 비해 환원제 스스로는 전자를 잃는 정도가 크고, 대상 물질은 환원제로부터 유래된 전자를 얻는 상대적 정도의 크기가 크다. 그러므로 환원제와 산화제는 작용하는 물질의 종류와 이에 상대하는 대상 물질의 종류의 조합에 따라 불리는 상대적 명칭이다.

환원제의 예

대표적인 환원제로 작용 하는 물질 중 하나는 알데하이드계 물질로써, 알데하이드계 물질은 알코올계 혹은 카르복실산계로 산화되는 산화성이 크기 때문에 대부분의 물질에 대하여 환원제로 작용한다. 기본적인 알데하이드에는 포름알데하이드(HCHO), 아세트알데하이드(CH3CHO) 등이 있다. 포름 알데하이드는 산화 작용으로 인한 유기 물질의 부패를 방지하기 위한 환원 보존제로 널리 쓰인다.

출처
위키백과 - 검색어 '산화 환원 반응' , '산화제', '환원제'

 

3.금속의 활동도 서열(금속의 반응성)에 대해 조사하시오.

3-1. 금속의 반응성은

금속 원자가 산화되어 양이온 되려는 상황이다. 금속의 반응성은 특정 금속의 산이나 물과 의 반응성, 단순치환반응, 고가석으로부터 제련하는 법 등과 관련이 있다. 예를 들어, 아래의 금속의 반응성 순서를 보면 아연은 구리보다 반응성이 크다. 따라서 고체상태의 금속 아연을 황산구리(CuSO4) 수용액에 넣으면 아연과 구리가 치환되는 다음과 같은 단순치환반응이 일어남을 알 수 있다.
Zn(s) + CuSO4(aq) -> Cu(s) + ZnSO4(aq)
즉, 실험을 해보지 않아도 이론적으로 붉은색의 구리(Cu)가 석출될 것을 예상할 수 있다.

3-2. 순서

다음은 금속의 반응성이 큰 순에서 작은 순으로 차례대로 나열한 것이다.
K Na Li Sr Ca Mg Al C Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb H2 Cu Hg Ag Pt Au
K+ Na+ Li+ Sr2+ Ca2+ Mg2+ Al3+ Zn2+ Cr2+ Fe2+ Cd2+ Co2+ Ni2+ Sn2+ Pb2+ H+ Cu2+ Hg2+ Ag+ Pt2+ Au3+
오른쪽에서 왼쪽으로 갈수로 금속의 성질은 다음과 같이 변한다.
반응성 증가
전자를 잃고 양이온이 되기 쉽다.
부식되거나 변색되기 쉽다.
다른 물질로부터 분리하는 데 많은 에너지가 소모된다.
환원성이 높아진다. (강한 환원제이다.)

출처
위키 백과 - 검색어 '금속의 반응성'

4.시약들의 물리적, 화학적 특성과 그 위험성에 대해 서술하시오. (원자량, 녹는점, 끓는점 포함)

[기구와 시약]

시약
Cu 조각, Pb 조각, Zn 조각,
0.1M KMnO4, 0.1M AgNO3, 0.1M Cu(NO3)2, 0.1M Pb(NO3)2,
0.1M Zn(NO3)2, 0.25M SnCl2, 0.25M FeCl3, 3M H2SO4, 0.5M FeSO4

기구
스포이드, 시험관, 시험관대, 핀셋, 사포

'시약이 너무 많은 관계(12종류)로 생략'

출처는 위키백과에서 각각 물질 검색, 위험성은 MSDS 검색

5.[실험방법]중 이때 다음 빈칸을 채우시오

실험에서 사용하는 용액 중 0.1M KMNO4 용액과 3.0M H2SO4 용액을 각각 100mL씩 제조한다고 할 때,

KMNO4는 1.580g 필요하고, H2SO4는 16.347ml 필요하다.

 

KMNO4 몰질량: 158.034g/mol & 밀도: 2.7g/ml
H2SO4 몰질량: 98.079g/mol & 밀도: 1.8g/ml

 

(이때 계산은 소수점 아래 셋째 자리까지 계산하시오.)

 

출처들

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%82%B0%ED%99%94%C2%B7%ED%99%98%EC%9B%90_%EB%B0%98%EC%9D%91

산화·환원 반응 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%82%B0%ED%99%94%EC%A0%9C

산화제 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

https://msds.kosha.or.kr/MSDSInfo/kcic/msdssearchMsds.do

안전보건공단 화학물질정보 | MSDS검색