본문내용
1. 금속의 활동도: 산화와 환원
1.1. 실험 목표 및 이론
한 금속 조각을 다른 금속의 이온을 포함하고 있는 용액에 넣고 어떠한 반응이 일어나는지를 관찰하여 활동도 서열에서 해당 금속의 상대적 위치를 예측할 수 있다는 것이 이번 실험의 목표이다.
금속의 활동도, 즉 이온화 경향은 금속들이 얼마나 쉽게 이온화되어 양이온을 형성하고, 얼마나 쉽게 환원되는지를 나타내는 서열이다. 활동도가 높은 금속일수록 환원력이 강하고 산화력이 약하다는 것을 의미한다. 따라서, 활동도가 높은 금속은 자주 산화되어 부식되고, 활동도가 낮은 금속은 부식이 적게 일어난다. 또한, 활동도가 높은 금속은 다른 금속에 비해 산화반응에서 우선순위가 높아져서, 활동도가 낮은 금속보다 산화반응에 더 잘 참여한다.
산화 반응은 어떤 물질(원소, 화합물, 이온)이 하나 이상의 전자를 잃는 것이고, 환원 반응은 어떤 물질이 하나 이상의 전자를 얻는 것으로 정의된다. 산화제는 전자들을 받아들여 산화를 일으키는 물질이고, 환원제는 전자를 내놓아 환원을 일으키는 물질이다. 산화와 환원은 항상 동시에 발생하는 산화-환원 반응을 이루게 된다.
이번 실험을 통해 금속의 활동도 서열과 산화-환원 반응에 대한 이해를 높일 수 있을 것으로 기대된다.
1.2. 기구 및 시약
본 실험에 사용된 기구 및 시약은 다음과 같다.
24-well plate는 작은 양의 시료를 제작하거나 반응 등을 확인할 때 주로 사용된다. 피펫이나 스포이드를 이용해 각 well에 용액이나 시료를 넣을 수 있다. 확대경(x5)은 작은 물체를 확대하여 관찰하기 위해 사용된다. 목적에 맞는 렌즈 크기의 확대경을 선정해야 한다. 사포는 금속 표면을 벗겨내거나 고르게 하기 위해 사용된다.
실험에 사용된 시약으로는 금속 조각(Cu, Fe, Mg, Zn, Pb), 2.0 M 염산(HCl) 용액, 0.2 M CuCl2, FeCl3, Mg(NO3)2, Zn(NO3)2, Pb(NO3)2 수용액, 0.1 M FeSO4 수용액, 0.1 M KMnO4, Na2SO4, CuSO4, KlO3, FeCl3 수용액, 표백제(4-5% NaOCl), 3% 과산화수소(H2O2) 등이 있다. 이 시약들의 물리, 화학적 성질과 안전 관련 사항을 사전에 충분히 파악하고 주의해야 한다."
1.3. 실험 방법
1.3.1. 금속의 반응성
금속의 반응성은 금속 조각을 다른 금속의 이온을 포함하고 있는 용액에 넣고 어떠한 반응이 일어나는지를 관찰함으로써 알아볼 수 있다. 이를 통해 활동도 서열에서 각 금속의 상대적 위치를 예측할 수 있다.
실험에서는 사포를 사용하여 금속 조각의 표면을 깨끗이 갈아내고, 물로 씻어낸 후 휴지로 물기를 닦는다. 이는 금속 표면에 산화막이나 녹이 남아 있는 경우 반응이 일어나는 것을 관찰하기 어렵기 때문이다. 그 다음 Well plate에 5개의 금속 조각(Cu, Fe, Mg, Zn, Pb)을 넣고 각각에 염산 용액을 1/4 정도 채운다. 이후 각 well에서 어떠한 반응이 일어나는지 관찰한다.
실험 결과, Mg, Zn, Fe, Pb 순서로 기포가 많이 생성되었으며, Cu에서는 기포 발생이 미미했다. Pb를 넣었을 때 기포 생성이 육안으로 확인하기에 용이할 만큼 많지 않았는데, 이는 납과 수소의 반응성 차이 때문으로 사료된다. 이를 통해 금속의 반응성은 Mg > Zn > Fe > Pb > H > Cu 순서라고 결론지을 수 있다. 즉, 활동도 서열상 Mg이 가장 높고 Cu가 가장 낮다는 것을 알 수 있다.
1.3.2. 금속의 활동도
금속의 활동도는 금속 원자가 이온화되어 양이온이 되려는 정도를 나타내는 것으로, 활동도가 높은 금속일수록 자신은 산화되어 양이온이 되려는 경향이 크다. 이를 금속의 이온화 경향 또는 전기화학적 활성도라고도 한다.
금속의 활동도 서열은 다음과 같다: K > Ca > Na > Mg > Al > Zn > Fe > Ni > Sn > Pb > H > Cu > Ag > Hg > Pt > Au. 이 서열에 따르면 칼륨(K)이 가장 활동도가 높고 금(Au)이 가장 활동도가 낮다.
본 실험에서는 금속 조각을 서로 다른 금속이온 용액에 넣어 반응을 관찰함으로써 금속의 활동도를 확인하고자 하였다. 구체적인 실험 방법은 다음과 같다.
먼저 사포를 사용하여 금속 조각의 표면을 깨끗이 갈아낸 후, 각 금속 조각을 well plate의 한 줄에 배치하였다. 그 다음 각 well에 Cu2+, Fe3+, Mg2+, Zn2+, Pb2+ 이온 용액을 차례대로 1/4 정도 넣었다. 각 well에서 일어나는 반응을 관찰하여, 반응이 있으면 NR(No Reaction)이 아닌 표기를 ...
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