온도에 따른 화학 반응 속도 측정 실험

🧪 실험 목표

아이오딘산 칼륨 수용액(KIO₃(aq))의 농도에 따른 반응속도의 변화를 측정하여 농도와 반응 속도의 관계를 설명할 수 있다.

 

🧪 실험 이론

[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.

 

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

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

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

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

 

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.

 

🧪 준비물

아이오딘산칼륨(KIO₃)용액, 아황산수소나트륨(NaHSO₃)용액, 녹말, 증류수, 시험관 5개, 시험관대, Y자 시험관 3개, 눈금피펫, 홀 피펫, 피펫필러, 1L 비커 3개, 얼음, 전기포트, 초시계, 눈금실린더 5개, 장갑, 보안경

 

🧪 실험방법

1. 0.04 M 아이오딘산칼륨 용액에 녹말 한 수저를 넣어 준비한다.(0.04 M 아이온딘산칼륨(KIO₃)용액 100 mL에 녹말은 작은 수저로

    한 수저 정도 넣는다.)

2. 3개의 시험관에 녹말이 포함된 0.04 M 아이오딘산칼륨(KIO₃)용액을 각각 5 mL씩 넣는다.

3. 다른 시험관에 0.05 M 아황산수소나트륨(NaHSO₃) 용액을 각각 5 mL씩 넣는다.

4. 1 L 비커물을 2/3정도 담고 얼음을 넣은 후 온도를 측정한다.

5. 용액이 든 시험관을 비커에 넣어 온도 평형이 일어나도록 한 시험관 속 용액을 섞는 순간부터 청자색이 나타나는 순간까지의 시간을

    초단위로 기록한다.

6. 상온의 물, 끓인 물이 담긴 1 L 비커를 준비하고 위와 동일한 방법으로 실험을 수행한다.

 

📌 실험에서 변화시켜야 하는 요인(조작변인)과 일정하게 유지해야 하는 조건(통제변인)은 무엇인가?

         조작변인 : 온도,                통제변인 : 농도, 용액의 부피

 

🧪 실험결과 및 분석

📌 실험 데이터를 기록하고 반응속도를 구하시오.

시험관	온도(℃)	반응시간(s)	반응속도(s-1)
1	6	21.29	0.046970
2	14.8	12.65	0.079051
3	22.5	11.09	0.090171
4	30.4	9.73	0.102775
5	42.6	7.85	0.127389

📌 가로축이 온도(T), 세로축은 반응시간(s)과 반응속도(s^-1)인 그래프를 그리시오.

(canva 이용 : https://www.canva.com/ko_kr/)

📌 실험 결과를 토대로 온도에 의해 반응속도는 어떻게 변한다고 결론지을 수 있는가?

온도가 증가할수록 반응속도는 빨라진다.

 

📚 왜?

온도 증가로 인한 반응물의 충돌 횟수 증가 때문에 반응속가 증가하는 영향은 매우 작다. 온도에 따른 충돌 횟수 증가가 반응 속도에 미치는 영향은 약 2% 정도이며, 활성화 에너지보다 큰 운동 에너지를 가지는 분자 수의 증가가 반응 속도에 미치는 영향은 약 98%이다. 따라서, 온도가 높아질 때 분자들의 충돌 횟수 증가에 따른 영향은 주요한 요인이라 볼 수 없으며, 활성화 에너지보다 큰 운동에너지를 가지는 분자 수 증가에 의한 영향으로 설명하는 것이 더욱 적절하다.

 

📌 온도가 증가하여 반응속도가 빨라진다면 생성물의 양도 늘어날지 유추하시오.

총 생성물의 양은 일정할 것이다.

 

📚 왜?

출처: http://www.sciencenanum.net/index.html

에너지 분포 곡선에서 E_a 이상의 운동 에너지를 가진 분자들은 초기 반응에 참여한다. 그럼 E_a보다 작은 에너지를 가진 분자는 반응에 참여하지 않는걸까?

E_a이상의 에너지를 가진 분자들이 반응하여 생성물이 되어버린다면 E_a보다 작은 에너지를 가진 분자들 중 주위로부터 에너지를 흡수하여 E_a 이상의 에너지를 가진 분자들이 다시 생성되고, 해당되는 온도의 에너지 분포 곡선 형태를 유지하며 지속적으로 반응할 수 있다. 결국 반응 초기에는 온도가 높을때 생성물의 양이 많지만, 충분한 시간이 지나면 두 온도에서 생성된 물질의 총량은 같게된다.