일반화학실험 | 화학반응속도 - 시계반응

 

 

 

TIP

 

 

화학반응속도는 농도, 온도 및 촉매의 영향을 받는다. 농도 변화에 따른 반응 속도를 측정함으로써 반응속도 상수와 반응차수를 결정할 수 있다. 이 실험에서는 소위 시계반응을 이용하여 2I + S O → I + 2SO 반응의 반응속도에 미치는 농도의 영향을 조사하고, 반응속도상수 및 반응차수를 구하는 방법을 습득 한다.

 

 

 

시계반응

본 실험에서는 화학반응속도에 미치는 농도의 영향을 조사하는 것이 목적이다. 다음과 같은 요오드화 이온과 과산화이황산 이온의 반응을 조사하여 보자.

 

I^- + S₂O₃^2-→ I₂ + 2SO₄^2- (1)

 

이 반응은 실온에서는 상당히 느리게 진행되는데, 그 반응속도는 다음 식으로 나타낼 수 있다.

 

반응속도 = k[I^-]_m[S₂O₈^2-]_n    (2)

 

여기서 k는 반응속도상수이며, m과 n은 반응차수로서 0, 1, 2, 3과 같은 정수이다. 이온의 농도는 ㏖/L로 나타낸다. 반응속도는 식 (2)에서 알 수 있듯이 반응물의 농도에 따라서 영향을 받는다. 또한 반응속도는 온도와 촉매의 영향을 받는다. 그러나 이 실험에서는 반응속도에 미치는 농도의 영향만을 조사하기로 한다. 이 실험의 주목적은 속도상수 k의 값과 반응차수 m과 n을 구하는 것이다.

 

우리들이 반응속도를 측정하려는 방법은 소위 시계반응이라 부르는 반응인데, 이것은 한 반응의 종말점을 자동적으로 알 수 있는 반응이다. 우리가 조사대상으로 하고 있는 반응 (1)을 녹말 존재하에서 다음의 반응 (3)과 동일 용기내에서 동시에 일어나도록 한다.

 

I₂ + 2S₂O₃^2- → 2I^- + S₄O₆^2-   (3)

 

반응 (3)응 반응 (1)에 비하여 훨씬 빨리 진행된다. 그러므로 반응 (1)에서 생성된 I₂분자는 같은 반응요기에 들어 있던 S₂O₃^2-이온과 재빨리 반응하여 없어지게 되어 S₂O₃^2-이온이 완전히 소모되지 않는 한 I₂의 농도는 영이다. 반응이 진행되어 S₂O₃^2-이온이 모두 소모되면 반응 (1)만이 일어나므로 I₂분자가 용액 속에 남게 되고, I₂분자가 생성되는 순간 이것이 녹말과 반응하여 청색을 띠게 되어 일정량의 S₂O₃^2-이온이 모두 반응하여 없어지는데 필요한 시간을 알려주므로 시계와 같은 구실을 한다.

 

만일 S₂O₃^2-의 양을 처음부터 S₂O₈^2-보다 당량 이상으로 월등히 많이 사용하였다면 (1)의 반응이 완결될 때까지 반응계에는 영원히 색 변화가 없겠지만, 처음에, I^-및 S₂O₈^2-에 비하여 당량보다 훨씬 적은 양의 S₂O₃^2-을 가하고 반응을 시작하였다면 (1)반응이 완결되기 전에 즉, (1)의 반응이 진행되는 도중에 S₂O₃^2-은 완전히 소모되고 그 순간 I₂와 녹말과의 반응에서 색 변화가 일어난다.

 

반응 (1)에서 1몰의 S₂O₈^2-에 의해서 1몰의 I₂가 생기게 되는데, 이 1몰의 I₂는 반응 (3)에 따라 2몰의 S₂O₃^2-와 반응한다. 그러므로 반응이 시작되어 청색이 나타나는 순간까지 소모된 S₂O₈^2-의 몰수는 처음에 가한 S₂O₃^2-의 몰수의 절반과 같을 것이다. 따라서 일정양의 I^- 및 S₂O₈^2- 염의 무게를 정확히 재어 반응용기에 넣고, 여기에 역시 정확한 무게를 알고 있는 소량의 S₂O₃^2- 염 및 녹말지시약을 가하여, 반응이 시작되는 순간부터 변색할 때까지의 시간을 측정하면 일정양의 반응물질이 반응하는데 소요되는 시간을 알 수 있으므로 반응속도를 구할 수 있다.

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실험 방법

1. 실험 과정

1) 표1 농도에 따라 실험을 진행한다. 먼저 1번비커+녹말지시약 1㎖ , 2번비커+0.05M S₂O₃^2- 을 만든다.

 

반응	반응 비이커(1번)		50㎖ 비이커(2번)
1	0.200 M KI	10.0㎖	0.100 M (NH4)2S2O8	10.0㎖
2	0.200 M KI	5.0㎖	0.100 M (NH4)2S2O8	10.0㎖
	0.200 M KCl	5.0㎖
3	0.200 M KI	10.0㎖	0.100 M (NH4)2S2O8	5.0㎖
			0.100 M (NH4)2S2O4	5.0㎖
4	0.200 M KI	10.0㎖	0.100 M (NH4)2S2O8	2.5㎖
			0.100 M (NH4)2S2O4	7.5㎖
5	0.200 M KI	4.0㎖	0.100 M (NH4)2S2O8	10.0㎖
	0.200 M KCl	6.0㎖
6	0.200 M KI	7.5㎖	0.100 M (NH4)2S2O8	7.5㎖
	0.200 M KCl	2.5㎖	0.100 M (NH4)2S2O4	2.5㎖

 

2) 2번 비커에 있는 용액을 1번 비커에 넣는다. 이때, 교반기를 이용하는데 rpm은 600으로 통일한다.

 

3) 색이 무색에서 청색으로 변하는 반응시간을 측정한다.

 

 

[일반화학실험]화학 반응 속도 : 시계 반응

 

 

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