소개글
"서울대 화학실험 A"에 대한 내용입니다.
목차
1. 산화환원 반응
1.1. 산화환원반응의 정의
1.2. 반쪽반응법
1.3. 산화환원반응의 평형상수
1.4. 아스코브산의 특성
2. 아스코브산의 정량
2.1. 아스코브산과 아이오딘의 반응
2.2. 당량점과 종말점
3. 실험 결과 및 고찰
3.1. 아스코브산 함량 계산
3.2. 열처리에 따른 아스코브산 손실
4. 아스코브산의 생화학적 기능
4.1. 콜라겐 합성 효소의 활성화
4.2. 다른 효소 활성화 사례
5. 광학 이성질체
5.1. L형과 D형의 관계
5.2. 생물체내 거울상 이성질체의 선택적 흡수
6. 산화환원 반응의 표준전위
6.1. 아스코브산과 아이오딘의 표준전위
6.2. 평형상수 계산
7. 분자간 결합의 양자역학적 해석
7.1. 오비탈 에너지 계산
7.2. 결합거리와 결합에너지
8. 상태변화와 상평형
8.1. 드라이아이스의 상변화 관찰
8.2. 삼중점 근처에서의 상평형
9. 이상기체와 실제기체의 차이
9.1. 이상기체 가정
9.2. 실제기체 거동과 보정
10. 참고 문헌
본문내용
1. 산화환원 반응
1.1. 산화환원반응의 정의
산화환원반응이란 두 화학물질 사이에 전자이동이 발생하는 반응 또는 원자들의 산화수에 변화가 있는 반응이다. 전자가 이동하는 과정에서 한 물질은 전자를 잃어 산화되고, 다른 물질은 전자를 얻어 환원된다. 따라서 산화되는 물질은 환원제, 환원되는 물질은 산화제로 작용한다. 산화수의 증가는 산화, 감소는 환원을 의미하며, 이는 화학결합에서 전기음성도의 차이로 인해 전하가 양 끝으로 쏠리는 현상에서 기인한다. 이러한 산화환원반응은 다양한 분석방법에 활용되는데, 산화환원 적정이 대표적인 예이다.
1.2. 반쪽반응법
산화환원반응에서는 반쪽반응법을 이용하여 산화 부분과 환원 부분으로 나누어 반응식을 표현할 수 있다"" 산화 부분과 환원 부분으로 나누어 나타내는 이유는 전자를 잃는 물질과 전자를 얻는 물질을 구분하여 더 쉽게 반응을 이해할 수 있기 때문이다"" 예를 들어 Ce4+와 Fe2+의 반응을 보면 Ce4+ + Fe2+ → Ce3+ + Fe3+의 반응식을 Fe2+→ Fe3+ + e-(산화) 및 Ce4+ + e-→ Ce3+(환원)의 두 개의 반쪽반응으로 나타낼 수 있다"" 이렇게 반쪽반응으로 표현하면 환원제와 산화제를 더 명확히 구분할 수 있어 산화환원 반응을 이해하는데 도움이 된다""
1.3. 산화환원반응의 평형상수
산화환원반응의 평형상수는 평형상태에서 산화환원반응의 평형을 나타내는 상수이다. 평형상태에서 산화제와 환원제의 농도비에 따라 평형상수 K가 결정된다.
평형 상태에서 산화-환원 반응의 자유에너지 변화(ΔG0)는 0이 된다. 따라서 ΔG0 = -RTlnK이다. 여기서 R은 기체상수, T는 절대온도이다. 이를 통해 평형상수 K를 계산할 수 있다.
산화환원반응의 표준전위를 E0라 할 때, 넷른스트 식에 의해 E = E0 - {RT} over {nF} ln Q 이다. 여기서 Q는 반응 물질의 실제 농도비이다. 평형상태에서 E = 0이므로, E0 = {RT} over {nF} ln K가 된다.
즉, 표준환원전위와 평형상수 K 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다.
ΔG0 = -nFE0 = RTlnK
따라서 산화환원반응의 표준전위를 알면 평형상수 K를 구할 수 있고, 반대로 평형상수 K를 알면 표준전위 E0를 구할 수 있다. 이를 통해 산화환원반응의 평형상태를 예측하고 분석할 수 있다.
1.4. 아스코브산의 특성
L-ascorbic acid는 백색 및 무취의 결정성 분말이다. 물에는 잘 녹으나 유기 용매에는 비교적 녹지 않고, 열에 쉽게 파괴되는 성질을 가지고 있다. 콜라겐을 합성하는 효소의 철 이온을 환원하여 효소를 활성화하는 데 이용된다. 즉 콜라겐 형성에서 조효소로 기능한다. Dehydroascorbic acid(C6H6O6)로 쉽게 산화되기에 다른 물질과의 반응에서 환원제의 역할을 한다. 반응식은 C6H8O6 (ascorbic acid) ↔ 2e- + 2H+ + C6H6O6(Dehydroascorbic acid)와 같으며, 이때 반응은 가역적이다. L-ascorbic acid 외에 D-ascorbic acid도 존재하는데, 입체구조가 L-ascorbic acid와 거울상을 이루고 있는 물질이다. 이러한 거울상에 대해서는 과제에서 자세히 다루도록 한다.
2. 아스코브산의 정량
2.1. 아스코브산과 아이오딘의 반응
아스코브산과 아이오딘의 반응은 산화환원반응으로, 아스코브산은 환원제로 작용하고 아이오딘은 산화제로 작용한다. 이때 아스코브산은 2개의 전자를 잃어 산화되어 디하이드로아스코브산(C6H6O6)이 되며, 아이오딘은 2개의 전자를 얻어 환원된다. 반응식은 다음과 같다.
ascorbic acid + I2 → 2I- + 2H+ + dehydroascorbic acid
이 반응은 가역적이며, 아이오딘은 물에 잘 녹지 않으나 아이오다이드 이온(I-)과 반응하여 트리아이오다이드 이온(I3-)을 형성하면 용해도가 높아지므로 실험에서 이를 활용한다. 반응의 평형상수 K는 7×102 정도이다.
본 실험에서는 과량의 KI 존재하에 표준물질 KIO3로 적정하여 아스코브산을 정량한다. IO3-가 산화제로 작용하여 I-를 산화시켜 I2를 생성하고, 생성된 I2가 아스코브산을 산화시키는 전체적인 반응 과정은 다음과 같다.
3ascorbic acid + IO3- → I- + 3H2O + 3dehydroascorbic acid
아스코브산이 소진된 이후 반응이 시작되므로, 종말점 확인을 위해 녹말(C6H10O5)이 I2와 반응하여 푸른색 착물을 형성하는 것을 이용한다.
2.2. 당량점과 종말점
당량점은 적정에서 양 반응물이 동시에 모두 소모되어 화학적 반응이 완결되는 점을 의미한다. 즉, 반응물이 정확히 반응하여 생성물이 생성되는 당량비의 지점이다. 이때 반응물의 농도를 정확히 알 수 있으므로 생성물의 농도도 정량적으로 파악할 수 있다.
반면 종말점은 지시약의 색 변화로 반응의 종료시점을 확인하는 지점이다. 당량점과 종말점이 일치하여야 정확한 적정 결과를 얻을 수 있다. 지시약의 선택이 중요한데, 아스코브산과 아이오딘의 반응에서는 녹말이 종말점 지시약으로 사용된다. 녹말은 아이오딘과 반응하여 푸른색 착물을 형성하므로, 아스코브산이 모두 소진된 이후 아이오딘 과량이 존재할 때부터 녹말이 착색되어 종말점을 나타낸다.
적정 실험에서 당량점과 종말점이 일치하지 않으면 정량 결과에 오차...
참고 자료
Ebbing, General Chemisrty (이용근 외 4인 역), 4Ed., 교보문고, 1997
Gary D. Christian, Analytical Chemistry (이용근 외 4인 역), 5Ed., 희중당, 1994
Lehninger Principles of Biochemistry, David L. Nelson· Michael M. Cox (백형환, 윤경식, 김호식 역), Ed5, 월드사이언스, 2010
김희준, 《일반화학실험》, 파주: 자유아카데미, 2010,
Ralph H. Petrucci, General Chemisrty (이욱 역), 6Ed., 대영사, 1993
이주희 외 5인, Biochemistry, 3Ed, 교문사, 2019
마틴 가드너, 마틴 가드너의 양손잡이 자연세계(과학세대 역), 까치, 1993
Peter Atkins, Loretta Jones, (김 관, 김병문, 이상엽, 정두수, 정영근 역), “화학의 원리 제5판”,5e/d , 자유아카데미, 2012, p.p.189-191
Ebbing , 4 Ed, 교보문고, 1997
이상권 외 7인 <고등학교 화학2>, 지학사, 2017
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12