[화학및 실험2] 3주차 결과보고서, 화학 반응 속도(시계반응)

1. 실험 목적 

  : 반응 물질의 농도를 달리하여 시계반응으로 속도를 측정하고, 반응속도 상수와 반응차수를 구한다.  

2. 실험 이론 

1) 반응 속도

2) 반응 속도 상수와 반응 차수

3) 반응 속도에 영향을 주는 인자

(2-3주차 예비보고서에서 작성)

https://devlawyer.tistory.com/57

[화학및 실험2] 3주차 예비보고서, 화학 반응 속도(시계반응)

 

<시계 반응의 개념> 중요!!!

이번 실험은 화학양론적으로 다음과 같다.

 

2 I- + S2O82- → I2 (aq) + 2SO42-

 

이 반응은 동시에 세 가지 이온의 충돌이 필요하다. 그러한 충돌이 일어날 확률은 매우 작다.

첫째로 2개 아이오딘 이온과 1개 과황산(S2O82-) 이온간의 가능한 순차 반응은 다음과 같다.

 

메커니즘1    1-a        I-  +   S2O82-  →   SO42-  +   SO4I-

          1-b      SO4I-  +  I-       →    I2     +    SO42-

 

이 반응 중 한가지는 다른 반응보다 더 느리다. 다단계 반응 중 더 느린 반응을 속도 결정단계라고 한다. 이것은 그 과정의 전체 속도가 느린 단계의 속도에 따라 결정된다는 것을 의미한다. 메커니즘 1에서 첫째 단계가 속도 결정 단계이면 첫째 단계의 속도는 다음과 같다.

 

속도 = k [I-][S2O82-] (메커니즘 1-a의 속도식)

 

둘째 단계가 첫째 단계보다 느리면 속도식은 그 반응이 마치 한 단계로 일어나는 것과 같은 형태로 나타낸다.

 

속도 = k[I-]2[S2O82-]  (메카니즘 1-b의 속도식이고 1단계 반응은 불가능하다.)

 

둘째로 가능한 순차 반응은

 

메커니즘 2        2-a                2 I- → I22-

                                        2-b       I22- + S2O82- → I2(aq) + 2 SO42-

 첫째 단계가 속도결정단계이면

 

속도 = k[I-]2  (메카니즘 2-a의 속도식)

 

 

 둘째 단계가 속도결정단계이면 속도식은 그 반응이 마치 1단계로 일어나는 것과 같다.

 

속도 = k[I-]2[S2O82-]   (메카니즘 2-b의 속도식)

 

시계반응은 반응의 종말점을 쉽게 알 수 있도록 고안된 반응으로, 위의 실험 대상 반응에서 생성된 I2와 S2O32-의 반응이 동일 용기 내에서 동시에 일어나도록 한다.

 

I2 + 2 S2O32- → 2 I- + S4O62-

 

이 반응에서 I2가 형성되자마자 S2O32- 이온과 매우 빨리 반응하여 없어지고 S2O32- 이온이 모두 소모되면 I2 분자가 용액에 남게 되며, 이것이 녹말과 반응하여 청색을 띠게 된다. 따라서 S2O32- 이온이 모두 반응하여 없어지는데 필요한 시간을 색깔로 알려주므로 시계와 같은 구실을 한다.

 

I2  + 녹말 → blue complex

 

 본 실험에서 결정하려는 반응 속도식은 다음의 첫 번째 반응에 관한 것이며,

 

2 I- + S2O82- → I2 + 2 SO42-

 

Na2S2O3 가 다 소모될 때까지, 즉 I2가 반응 용기에 존재하기 시작하는 순간까지의 반응 속도를 측정하는 것이다.

 

3. 실험방법

다음 표와 같이 시약을 넣고 (0.100 M 과산화 이황산 칼륨 용액 (K2S2O8)은 맨 나중에 첨가한다) 시험관을 고무 마개로 막은 후 투명한 색이 약간 누렇게 변하다가 청색이 되기 시작할 때까지의 시간을 재서 기록하도록 한다. (누런색을 바로 지나 청색이 된다)

<실험 SET>

	시험관 번호
	1	2	3	4	5	6	7	8
0.200 M KI (mL)	0.5	1.0	1.5	2.0	2.0	2.0	2.0	2.0
0.200 M KCl (mL)	1.5	1.0	0.5
0.100 M K2SO4 (mL)				1.5	1.0	0.5
0.100 M CuSO4								2 방울
증류수
0.4 % 녹말 용액중의 0.0075 M Na2S2O3 (mL)	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0
0.100 M K2S2O8 (mL)	2.0	2.0	2.0	0.5	1.0	1.5	2.0	2.0

4. 기구와 시약

A) 기구

눈금실린더 (10 mL), 초시계, 스포이드, 씻기병, 고무마개, 시험관, 시험관대

 

B) 시약 (분자량, 끓는점, 녹는점, 밀도, 위험성 조사)

0.200 M 요오드화 칼륨 용액 (KI),

0.200 M 염화 칼륨 용액 (KCl)

0.100 M 과산화이황산 칼륨 용액 (K2S2O8)

0.0075 M 티오황산 나트륨 용액 (Na2S2O3)

0.100 M 황산 칼륨 용액 (K2SO4)

0.4 % 녹말 용액

0.100 M CuSO4 용액

5. 실험 과정

 

6. 실험 결과

6-1-1) 다음 표를 채우시오.(농도 계산 과정 필수)

6-1)
	1	2	3	4	5	6	7	8
t(sec)	239.3	101.59	61.37	213.24	93.38	60.53	44.55	6.43
상대속도 (Sec^-1)	0.00417885	0.00984349	0.01629461	0.00468955	0.01070893	0.01652073	0.02244669	0.155521
[I-]	0.02	0.04	0.06	0.08	0.08	0.08	0.08	0.08
[S2O82-]	0.04	0.04	0.04	0.01	0.02	0.03	0.04	0.04

 

6-1-2) 위 표의 (1), (2)의 [I-], [S2O82-]의 농도를 구하기 위한 풀이과정을 서술하시오.

몰농도는

M = mol / L

= mmol / mL 이다.

[I-] = (0.200M x 0.5mL) / (0.5+1.5+1+2)mL

[S2O82-] = (0.100M x 2mL) / (0.5+1.5+1+2)mL

 

6-1-3)

(1) 1,2,3,7 시험관의 I-의 농도에 따른 상대 속도
(2) 4,5,6,7 시험관의 S2O82-의 농도에 따른 상대 속도 그래프

 

위에 주어진 (1), (2) 그래프를 각각 엑셀을 이용해 그리고 하나의 pdf 파일로 만들어 과제란에 제출하시오.

 

 I-의 농도에 따른 상대 속도, S2O82-의 농도에 따른 상대 속도

6-2-1)  각각의 실험에서의 반응 차수를 구하여 평균값을 구하시오. (계산과정 반드시 쓸 것)

6-2-1)
시험관번호	7 & 1번 시험관	7 & 2번 시험관	7 & 3번 시험관	7 & 4번 시험관	7 & 5번 시험관	7 & 6번 시험관
m & n 차수	1.21266153	1.18926106	1.11341301	1.12949038	1.06768816	1.06550594
평균	m의 평균	1.17177853		n의 평균	1.08756149

6-2-2) 위 표의 (1) 빈칸을 채우기 위한 풀이과정을 서술하시오.

(1)번식
V7 = k x [I-]^m x [S2O82-]^n
0.022446689 = k x (0.08)^m x (0.04)^n

(2)번식
V1 = k x [I-]^m x [S2O82-]^n
0.004178855 = k x (0.02)^m x (0.04)^n

(1)번식 / (2)번식
5.371492705 = 4^m
양변에 log4를 취해주면

log_4 (5.371492705) = m
m= 1.21266153

 

7&1	v =	k	[I-]^m	[S2O82-]^n		7&4	v =	k	[I-]^m	[S2O82-]^n
1)	0.02244669		0.08	0.04		1)	0.02244669		0.08	0.04
2)	0.00417885		0.02	0.04		2)	0.00468955		0.08	0.01
1)/2)	5.3714927		4^m			1)/2)	4.78653199			4^n
m	1.21266153					m	1.12949038
7&2	v=	k	[I-]^m	[S2O82-]^n		7&5	v =	k	[I-]^m	[S2O82-]^n
1)	0.02244669		0.08	0.04		1)	0.02244669		0.08	0.04
2)	0.00984349		0.04	0.04		2)	0.01070893		0.08	0.02
1)/2)	2.28035915		2^m			1)/2)	2.09607183			2^n
m	1.18926106					m	1.06768816
7&3	v=	k	[I-]^m	[S2O82-]^n		7&6	v =	k	[I-]^m	[S2O82-]^n
1)	0.02244669		0.08	0.04		1)	0.02244669		0.08	0.04
2)	0.01629461		0.06	0.04		2)	0.01652073		0.08	0.03
1)/2)	1.37755331		(4/3)^m			1)/2)	1.35869809			(4/3)^n
m	1.11341301					m	1.06550594

 

6-3-1) 위의 평균 값(m & n)을 이용하여 각 시험관반응의 속도상수를 기록하시오.

(계산과정 반드시 쓸 것) (m = 요오드 이온의 차수, n = 과황산이온의 차수 (S2O82-), k = 속도 상수)

3
	1	2	3	4	5	6	7	8
k'	13.55874835	14.17655971	14.59236658	13.53910362	14.54842856	14.44073204	14.34939585	99.41922009
v	0.00417885	0.00984349	0.01629461	0.00468955	0.01070893	0.01652073	0.02244669	0.155521
[I-]^m	0.01021371	0.02301039	0.03700529	0.05183993	0.05183993	0.05183993	0.05183993	0.05183993
[S2O82-]^n-	0.03017549	0.03017549	0.03017549	0.00668155	0.01419926	0.02206865	0.03017549	0.03017549

 

6-3-2) 위 표의 (1) 빈칸을 채우기 위한 풀이과정을 서술하시오.

V= k' x [I-]^m x [S2O82-]^n

표2 에서 구한 m, n의 평균값을 사용해서 계산하면
0.004178855 = k' x (0.02)^1.171778534 x (0.04)^1.087561489
0.004178855 = k' x 0.010213708 x 0.030175487
k' = 13.55874835

7. 관찰과 결과 분석

7-1. 이 실험에서 KCl, K2SO4를 사용하는 이유는 무엇인가?

KCl,K2SO4를 사용하는 이유

반응 혼합물을 희석시킬 때(똑같은 양, 5 mL로 만들 때)
물 대신 KCI 용액을 사용하는데 이것은 반응 속도에 영향을 미치는 반응 혼합물의 K+이온 세기를 일정하게 유지하기 위함이다. (K+는 반응메커니즘에 포함되지 않는 이온이고, SO42-는 반응식의 중간체이다. 반응속도에서는 영향을 크게 주지는 않지만, 용액 자체의 평형에는 영향을 끼친다)

7-2. 실험 결과로 보아 황산구리 용액의 역할은 무엇인가?

정촉매

시험관 8에만 황산구리 용액을 2방울 넣었는데, 표 3을 확인해보면 다른 시험관들은 속도 상수가 13,14에 몰려있는데 비해
시험관8만 99정도로 매우 크게 나온다. m,n에 차수에 영향을 미치지 않고 속도가 매우 커졌다.
따라서 황산구리 용액은 반응 속도를 증가시키는 (활성화에너지를 낮춰주는) 정촉매이다.

7-3. 실험결과를 토대로 다단계 메커니즘 1, 2 중 실험에 해당하는 메커니즘을 쓰고 속도 결정단계를 찾으시오.

매커니즘 1,2

 

 

V=k x [I-]^m x[S2O82-]^n

에서 구한 평균 m, n값을 활용하면
V=k x [I-]^1.171 x[S2O82-]^1.088 이다
이식과 가장 유사한 매커니즘 속도식은
V=k[I-]^1 x [S2O82-]^1 이다.
메커니즘 1이 이번 실험에 해당하며 속도 결정단계는 1-a)이다 (1-b는 느린반응에 해당한다.)

 

8. 후기.

8-1. 시계반응이 확실히 이해하기 어렵다... (다른 시계반응들도 있으니 찾아보자!)

8-2. 이번주차 결과보고서는 그래프(6-1-3)도 그리고 쓸 것도 많고 ㅋㅋㅋ

뭐가 많은 주차다.

8-3.

'7. 관찰과 결과 분석' 이 파트는 중요한게 많아보인다 실험기말고사 전에 외우도록하자.