시계반응 - 화학반응속도 실험

  화학 반응이 일어나는 속도는 농도와 밀접한 관계가 있습니다.

'농도가 높다'는 것은 같은 공산 속에 반응 할 수 있는 물질이 많다는 것인데, 반응할 물질이 많아 반응을 빨리 일으키는 것을 '반응속도가 빠르다'고 말합니다.

즉, 농도가 높을수록 반응 속도는 빨라 집니다.

반대로 농도가 낮으면 반응은 느리게 일어나겠지요.

 

이 현상을 한번에 알아볼 수 있는 실험이 '란돌트(Landolt)반응'으로 잘 알려진 '시계반응'입니다.

란돌트(Landolt)의 시계반응
  두 용액의 혼합물이 잠시 색이 없는 상태로 있다가 갑자기 색이 변하는 반응으로, 아이오딘산 칼륨 용액(KIO₃ ; potassium iodate)과 메타중아황산나트륨 용액(Na₂S₂O₅ ; sodium metabislfite)에 의해 생성된 아이오딘 이온(I₃^-)이 용액 속 녹말과 만나 색이 변하게 되는데, 색이 변하는 반응 전에 용액 속의 황산이온(HSO₃^-)과 먼저 반응하여 황산이온이 없어질 때 까지 색 변화가 멈추어 있다가 황산 이온이 완전히 없어지면 그때 색이 한꺼번에 변하는 반응입니다.

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* 실험 준비물

요오드산 칼륨(KIO₃ ; potassium iodate), 아황산수소나트륨(NaHSO₃ ; sodium bisulfite), 녹말(starch), 증류수, 눈금실린더, 부피플라스크, 비커, 전자저울, 유리막대, 약수저

 

* 실험 방법

1. KIO₃ 용액(P)과 NaHSO₃ 용액(S)을 다음과 같이 만든다.

    * P용액 : 0.05 M KIO₃ 1.0 L

      → 10.7 g의 KIO₃ 가루를 600 mL 가량의 증류수에 완전히 녹인 후 증류수를 더 넣어 1.0 L가 되도록 함.

    * S용액 : 0.05 M NaHSO₃ 용액 + 녹말 용액 1.0 L

      → 2.6 g의 NaHSO₃를 600 mL 가량의 증류수에 완전히 녹인 후 1%의 녹말용액(물89.1 mL + 녹말 0.9 g) 90 mL를

         넣고 증류수를 더 넣어 1.0 L가 되도록 함.

 

2. 위에서 준비한 용액을 아래 표와 같이 희석한다.

P 용액 번호	0.5 M KIO3 용액 부피(mL)	증류수 부피 (mL)	S 용액 번호	0.05 M NaHSO3 용액 부피(mL)	증류수 부피 (mL)
P1	50	0	S1	50	0
P2	42	8	S2	42	8
P3	36	14	S3	36	14
P4	32	18	S4	32	18
P5	28	22	S5	28	22

 

3. 준비된 P비커를 들고 S비커에 동시에 부어 넣는다.

 

4. 색 변화를 관찰한다.

 

 

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반응속도[反應速度, reaction rate]

  단위 시간당 반응물질의 농도 변화 또는 단위시간당 생성물질의 농도 변화를 반응속도라고 한다.

 

자동차의 속력은 일정 시간 동안에 간 거리를 말한다.

즉,

$$ \frac{h_{2}-h_{1}}{t_{2}-t_{1}}= \frac{\Delta h}{\Delta t} $$

예를 들면, 30분 동안에 자동차가 45 km를 갔다면 그 자동차의 속력은 90 km/h가 되며, 그 값이 클수로 자동차는 빠른 속력으로 움직이는 것을 의미한다.

 

이와 비슷하게 반응속도는 일정 시간 동안의 반응물질 또는 생성물질의 농도 변화를 말한다.

일정한 시간 동안에 반응물질의 농도 변확 크면 클수록, 또는 생성물질의 농도 변화가 크면 클수록 반응속도는 크다.

 

반응 Reactant → Product의 경우,

$$ v= \frac{\Delta [P]}{\Delta t}= -\frac{\Delta [R]}{\Delta t} $$

이 된다.

위 식에서 반응속도를 반응물질의 농도 변화로 나타낼 때 ( - )를 붙인 것은 반응속도는 음의 값을 가질 수 없으므로 그 값을 양수로 만들어 주기 위한 것이다. 

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시계반응

  HSO₃^-이온이 있는 어떤 용액에 IO₃^-의 용액, 그리고 녹말 용액이 섞이면 이 혼합물은 잠시동안 무색으로 있다가 갑자기 짙은 푸른색으로 변한다. 이러한 관찰은 1880년경에 Landolt에 의해 처음으로 보고되어 이 시계반응을 Landolt 반응이라고도 한다. 반응속도는 혼합물과 IO₃^-이온의 초기 농도에 따라 변하며, 혼합물의 온도와 용액의 pH에 따라 변한다. 시계 주기는 혼합물에 들어 있는 이온의 농도에 반비례하며, 온도가 높을수록, pH가 낮을수록 짧아진다. 이 반응은 I₃^-나 I₅^-가 아밀로오스의 나선구조 사이에 끼어 색이 나타나는 것으로 전체 과정은 다음 일련의 식으로 나타낼 수 있다.

IO₃^-(aq) + 3HSO₃^-(aq) → I^-(aq) + 3SO₄^2-(aq) + 3H⁺(aq)  ····· ①

IO₃^-(aq) + 8I^-(aq) + 6H⁺(aq) → 3I₃^-(aq) + 3H₂O(l) ····· ②

I₃^-(aq) + HSO₃^-(aq) + H₂O(l) → 3I^-(aq) + SO₄^2-(aq) + 3H⁺(aq) ····· ③

2I₃^-(aq) + 녹말 → 녹말-I₅^-착물(푸른색) + I^-(aq) ····· ④

 

반응①에서 HSO₃^-이온은 IO₃^-이온을 I^-이온으로 환원시킨다. ②에서 I^-이온은 IO₃^-이온에 의해 I₃^-이온으로 산화된다. I₃^-이온은 반응④에서 용액을 푸른색으로 변하게 하는데 ③의 반응이 먼저 일어나 푸른색을 나타내지 못하게 한다. 반응③에서 I₃^-이온은 HSO₃^-이온에 의해 I^-이온으로 환원되는데 HSO₃^-이온이 모두 소모될 때까지 이 반응이 일어나 ④의 반응을 지연시킨다. 이 시간이 시계 주기이다. 만약 HSO₃^-이온의 초기 농도가 IO₃^-이온이 초기 농도의 3배보다 크면 반응②에서 생성된 모든 I₃^-이온을 소모해 색 변화가 일어나지 않는다.

시계 반응 실험은 온도에 의한 영향을 매우 크게 받는다. 여름에는 실험이 잘 되어도 겨울이 되면 시험이 잘 안될 가능성이 크다. 따라서 겨울철에는 농도를 조금 더 진하게 하거나 실내 온도를 20℃ 이상으로 유지해야 한다.