일반화학실험-------------1. Title : 인산의 적정과 완충 용액2. Date : 2021년 11월 25일(목)3. Purpose: 인산의 적정을 통하여 다양성 자산의 적정 곡선을 익히고, 완충용액의 원리와 중요성을 배운다.4. Reagents&ApparatusNameFormulaM.w(g?mol-1)M.p(℃)B.p(℃)d(g?ml-1)인산H _{3} PO _{4}98.0042.351581.885수산화 소듐NaOH39.977328.01390.02.131) Reagents2) Apparatus: 250ml 비커, 50ml 뷰렛, 스탠드, 클램프, 자석젓개, pH 미터, 교반기5. Theory1) pH 미터pH 미터는 수용액 내 수소 이온 활동도를 측정하는 과학 기구의 하나로, 산성이나 알칼리성을 pH로 표현하여 나타낸다. pH 미터는 pH 전극과 참조 전극 간 전위차를 측정하므로 전위차 pH 미터라고 부르기도 한다. 전위차는 용액의 pH나 산성도와 관련 된다.산(acid)염기(base)아레니우스수용액에서 이온화하여H ^{+}를 내놓는 물질수용액에서 이온화하여OH ^{-}를 내놓는 물질브뢴스테드-로리H ^{+}를 내놓는 분자나 이온H ^{+}를 받는 분자나 이온루이스전자쌍을 받는 물질전자쌍을 제공하는 물질2) 산-염기3) 짝산(conjuate acid)과 짝염기(conjugate base)브뢴스테드-로리의 산-염기 정의에 의하면 수소 이온(H+)을 주고받음에 의해 산과 염기가 결정되는데, 이때 양성자의 이동에 의해 산과 염기가 되는 한 쌍의 물질을 짝산 -짝염기라고 한다.OH ^{-}H _{2} OH _{3} O ^{+}H _{2} O의 짝염기OH ^{-}의 짝산H _{3} O ^{+}의 짝염기H _{2} O의 짝산4) 산 이온화 상수(acid ionization constant,K _{a})산의 이온화 상수는 산의 세기를 나타내는 평형 상수로서 온도에 의해서만 변한다. 강산은 거의 완전히 이온화되어K _{a}값이 매우 크지만, 약산은K _{a}값이} over {[HA]}5) 당량점(equivalent point)과 종말점(end point)① 당량점 : 모든 적정에서 적정당하는 물질과 적정하는 물질사이에 양적인 관계를 이론 적으로 계산해서 구한 점을 말한다. 적정에서 시료에 대해 화학량론적으로 당량의 표준 시약이 첨가된 점으로, 실험적으로 검출된 종말점과 반드시 일치하지는 않는다.② 종말점 : 정량할 물질에 대하여 당량점에 도달한 양의 적정액이 가해졌다고 판단하고 적정을 멈추는 지점이다.6) 수소 이온 지수(pH)수소 이온 농도를 로그의 역수를 취해 나타낸 값으로 활동도의 척도이다. pH는 물질의 산성과 염기성의 정도를 나타내는 수치로 사용한다.pH`=`log {1} over {[H ^{+} ]} `=`-log[H ^{+} ] _{} ① 산성: 수소 이온 농도 ↑, pH < 7② 염기성: 수소 이온 농도 ↓, pH > 77) 완충 용액(buffer solution)산이나 염기를 넣어 주어도 용액의 pH가 거의 변화하지 않는 것을 완충 작용이라고 하고, 이런 특성을 가진 용액을 완충 용액이라고 한다. 일반적으로 약산과 그 염의 혼합 용액 또는 약한 염기와 그 염의 혼합 용액으로 구성된다. 예를 들어 아세트산과 아세트산 소듐의 혼합 용액의 완충 작용은 아래와 같다.CH _{3} COOH` LRHARPOONS `CH _{3} COO ^{-} +H ^{+} ①: 아세트산 이온의 농도는 매우 적다.CH _{3} COONa`` LRHARPOONS `CH _{3} COO ^{-} +Na ^{+} ②: 대부분 이온화되어 있다.따라서 혼합 용액에는 많은 양의 아세트산 분자와 아세트산 이온 그리고 소듐 이온과 적은 양의 수소 이온이 들어 있다.가) 외부에서 산 용액이 가해질 때아세트산 이온과 결합하여 ①식의 평형에 의해 아세트산 분자가 형성되어 수소 이온의 농도가 거의 변하지 않는다.나) 외부에서 염기성 용액이 가해질 때수산화 이온이 수소와 중화되어 줄어들고, ①식의 평형에 의해 수소 이온이 생성되어 수소 이온의 농도가A-]에 비해 [H3O+]와 [OH-]의 농도가 작을 때만 적용된다. 헨더슨-하델발흐 식은 완충 용액의 pH 값은 사용한 약산의pK _{a}에 가까운 값을 가지며, 단지 log[염기]/[산]의 값에 따라 변하는 것을 나타낸다. 그리고 pH가 약산의 해리 백분율에 어떻게 영향을 미치는지와 원하는 pH의 완충 용액을 어떻게 만들 것인지를 알려준다.HA` LRHARPOONS `H ^{+} +A ^{-},K _{a} = {[H ^{+} ][A ^{-} ]} over {[HA]}-logK _{a} =-log {[H ^{+} ][A ^{-} ]} over {[HA]}-logK _{a} =-log[H ^{+} ]+(-log {[A ^{-} ]} over {[HA]} )pK=pH-log {[A ^{-} ]} over {[HA]}pH=pK+log {[A ^{-} ]} over {[HA]}9) 르샤틀리에 원리(Le Chatelier’s principle)가역 반응이 평형 상태에서 계의 조건들이 변화하면 계는 더 이상 평형에 있지 못하고 변화한다. 농도, 압력, 온도의 조건을 변화시키면 계는 변화된 조건들에 반대되거나 상쇄되는 쪽으로 반응하여 새로운 평형 상태에 도달한다.10) 다양성자산(polyprotic acid)해리될 수 있는 양성자를 두 개 이상 포함하고 있는 산으로, 단계적으로 해리되며H ^{+} 이온을 내놓는다. 다양성자산으로 H2CO3(탄산), H2SO4(황산), H3PO4(인산) 등이 있다. NaOH로 인산을 적정하면서 H3PO4가 모두 소모되는 일차 당량점과 H2PO4-가 모두 소모되는 이차 당량점을 결정하고, H3PO4와 H2PO4-로 구성되는 첫 번째 완충 영역과 H2PO4-, HPO42-로 구성되는 두 번째 완충 영역에 대해서 알아본다.H _{3} PO _{4} (aq)+OH ^{-} (aq) rarrow H _{2} O(l)+H _{2} PO _{4}^{-} (aq)```````pK _{a1} =2.15H _{2} PO _{4}^{-} (aq)+OH ^{-)+PO _{4}^{3-} (aq)````````pK _{a3} =12.4첨가된 OH-당량에 따른 인산 그래프pH에 따른 인산 그래프6. Procedure1) 250ml 비커에 0.3M 인산 용액 50ml를 받는다.2) 50ml 뷰렛에 1M NaOH 용액을 채운다.3) 보정을 마친 pH 미터를 1)의 비커 안에 세워 두고 자석 젓개로 천천히 교반하면서 NaOH 용액 50ml를 결과 처리 표에 있는 부피대로 적정하며 pH를 측정한다.* 주의사항1) 실험 전 pH 미터를 보정한다.7. ObservationpH 미터 비커에 NaOH 적정 중- 마그네틱 바를 인산 용액이 담긴 비커에 넣고 천천히 교반하면서 pH 미터로 pH를 측정한다.- 뷰렛의 매니스커스를 잘 관찰하면서 적정한다.- NaOH 적정 시 pH 미터에 직접적으로 떨어지지 않도록 위치를 조정한다.- 실험을 마친 용액은 알칼리 폐액통에 버린다.8. ResultsNaOH(ml)0123456789pH1.31.21.31.41.51.61.61.71.81.9NaOH(ml)10111212.51313.213.413.613.814pH2.12.32.52.62.82.93.03.13.33.5NaOH(ml)14.214.414.614.81515.215.415.615.816pH3.84.34.85.05.35.45.55.55.65.7NaOH(ml)16.216.416.616.81717.217.5181920pH5.75.85.85.95.96.06.06.16.36.4NaOH(ml)*************727.527.828pH6.56.76.86.97.17.37.57.67.77.9NaOH(ml)28.228.428.628.82929.229.429.629.830pH7.98.08.18.48.79.49.810.010.210.3NaOH(ml)30.230.430.630.83131.231.431.631.832pH10.410.510.510.610.610.710.710.810.810.9NaOH(ml)32.232.5*************940pH10.911.01aOH(ml)44.244.444.644.84545.245.445.645.846pH12.212.312.312.312.312.312.312.412.412.4NaOH(ml)46.246.446.646.84747.247.5484950pH12.412.412.412.412.512.512.512.512.612.61) 1M NaOH를 천천히 가해 주며 pH를 측정하여 기록한다.2) 적정 시 가해 준 NaOH의 부피(ml)와 pH 측정값을 이용하여 그래프를 작성해 보고, 그래프에 완충 영역과 종말점을 표시한다.3) 적정 시 가해 준 NaOH의 부피(ml)와 pH 변화량을 이용하여 그래프를 작성해 보고, 완충 영역과 종말점을 찾는다.1) 제1완충영역 : pH 1.2 ~ pH 1.9 제1종말점 : 14.6 mL, pH : 4.82) 제2완충영역 : pH 5.4 ~ pH 6.5 제2종말점 : 29.2 mL, pH : 9.43) 제3완충영역 : pH 10.4 ~ pH 12.6 제3종말점 : 확인 불가9. Discussion1) 센산이나 센염기로는 완충 용액을 만들 수 없는 이유를 설명하시오.센 산이나 센 염기이면 그 짝염기 또는 짝산이 가수분해를 거의 하지 않으므로 외부의 수소 이온의 증감에 따른 반응이 일어나지 않는다. 따라서 강산 및 강염기는 이온화도가 매우 크므로 역반응이 활발하지 않아 평형이 오른쪽으로 치우쳐 형성되어 완충효과가 없게 되므로 완충용액이 될 수 없다.2) 완충 작용이 가장 크게 나타나는 때와 그 이유를 설명해보고 Henderson-Hasselbalch 식을 이용하여 첫 번째 완충 영역과 두 번째 완충 영역에서 이론적으로 완충 작용이 최대인 pH를 계산하시오.완충 작용은 이론적으로는 산과 염기의 몰수가 같을 때 가장 크게 나타난다. 즉, 화학 량론에 따라서 산과 염기가 함께 똑같은 양에 도달하는 당량점에서 완충작용이 가장 크게 나타난다. 염기에 의한 pH 변화를 억제하려면 HX의 농도가 높아야하고, 산에 의한 pH 변화를 억제하려면 X-의 농도가 높아야 한다. 따라]}#
일반화학실험--------1. Title : 용해열 구하기2. Date : 2021년 10월 7일(목)3. Purpose: 물질의 용해열에 의해 발생하는 엔탈피의 변화에 대하여 관찰한다.4. Reagents&ApparatusNameFormulaM.w(g?mol-1)M.p(℃)B.p(℃)d(g?ml-1)물H _{2} O _{}18.0201000.997염화 칼슘CaCl_2110.9877219352.15질산 암모늄NH _{4} NO _{3}80.04169.6483.151.721) Reagents2) Apparatus: 보온병 뚜껑용 스타이로폼, 온도계, 노트북(온도계 전자 탐침), 보온병, 100ml 눈금실린더, 가열 교반기, 자석 젓개5. Theory1) 열용량어떤 물질의 온도를 1˚C 또는 1K 높이는데 필요한 열량으로 열을 가하거나 빼앗을 때 물체의 온도가 얼마나 쉽게 변하는지를 알려주는 값이다. 단위 질량에 대한 열용량은 비열이라고 한다. 열용량의 단위는 cal/˚C 또는 J/K를 사용한다. 어떤 물질에 가해준 열의 양이 Q이고 가열에 의한 온도변화가TRIANGLE t라면 이 물질의 열용량 C는 다음과 같다.C= {Q} over {TRIANGLE t} 열용량은 가해준 열의 양에 비례하고 온도 변화에 반비례한다. 물질에 가해진 열량이 동일할 때, 열용량이 큰 물질의 온도 변화는 적고 열용량이 작은 물질의 온도 변화는 크다. 또한, 열용량의 크기는 질량에 비례하므로 단위 질량에 대한 열용량인 비열 c와 물질의 질량 m의 곱으로 나타낸다. 비열 c의 단위는J/g CDOT ℃이고, 열용량의 단위는J/℃이다.C=c TIMES m2) 엔탈피엔탈피는 주어진 계의 상태를 나타내는 열역학적 양으로, 일정한 압력과 온도에서 물질이 가지는 고유한 에너지이다. 즉, 일정한 압력에서 반응이 일어날 때, 반응 전후의 온도를 같게 하기 위하여 계가 흡수하거나 방출하는 열(에너지)를 엔탈피라 한다. 물질 계의 내부 에너지가 U, 압력이 P, 부피가 V일 때, 그 상태의 엔탈피 H=U+P H)`=`생성물의`엔탈피`-`반응물의`엔탈피발열반응에서는 에너지가 주위로 방출되어 엔탈피가 감소하므로DELTA H의 값은 ‘-’부호를 가진다. 흡열반응에서는 주위로부터 에너지가 흡수되어 엔탈피가 증가하므로DELTA H의 값은 ‘+’부호를 갖는다.4) 계열역학에서는 우주를 계와 주위, 두 부분으로 나눈다. 계는 특히 관심을 갖는 우주의 한 부분이고, 주위는 계의 둘레를 의미하며 이 속에서 계를 관찰하게 된다. 계는 주위와 에너지와 물질을 주고받으며 상태가 변화한다. 계는 그 계를 주위와 분리시키고 있는 경계의 특성에 따라 다음과 같이 여러 종류로 분류할 수 있다.- 열린계(open system): 주위와 에너지와 물질의 교환이 모두 가능한 계를 말한다.- 닫힌계(closed system): 주위와 에너지는 교환할 수 있으나 물질은 교환할 수 없는 계를 말한다.- 고립계(isolated system): 주위와 에너지와 물질의 교환이 불가능한 계를 말한다.5) 열역학 제 1법칙열역학 제1법칙은 어떤 고립된 계의 총 내부에너지는 일정하다는 법칙이다. 만일 열역학 계가 고립되어 있지 않다면 이 계의 내부에너지는 두 개의 과정 즉, 한 일과 가열 때문에 변화한다. 발열 반응에서 계는 주위로 엔탈피를 잃고, 흡열 반응에서 계는 주위 로부터 엔탈피를 얻는다. 에너지는 모든 자발적 및 비자발적 화학 과정에서 보존되므로 열역학 제 1 법칙은 계와 주위 사이에 에너지 흐름 경로의 추적에 도움을 주지만 특정 반응이 자발적이 되는지 비자발적이 되는지의 여부는 설명할 수 없다. 열역학 제 1법칙을 간단히 수식으로 쓰면 다음과 같다. 여기서TRIANGLE E는 내부 에너지, Q는 계에 흡수되는 열, W는 계가 한 일을 나타낸다.DELTA U=Q-W6) 반응열의 종류반응열이란 화학에서 방출 또는 흡수되는 열을 말한다.① 연소열 : 물질 1몰이 완전 연소할 때 발생하는 열량을 연소열이라고 한다. 연소열은 모두 발열 반응이다.CH _{4} `+2O _{2} `->`CO _{2} `+`2H ANGLE H=92.5kJ) ④ 분해열 : 1몰의 화합물이 그 성분 원소의 홑원소 물질로 분해될 때 발생 또는 흡수 하는 열량을 분해열이라고 한다. 분해열은 생성열와 크기는 같고 부호는 반대이다.⑤ 용해열 : 물질 1몰이 충분한 양의 용매에 용해될 때 발생 또는 흡수하는 열량을 용해열이라고 한다. 용해열은 발열인 경우와 흡열인 경우가 있으며 대부분의 고체는 물에 용해될 때 열을 흡수하지만 기체나 액체는 주로 열을 방출한다.H _{2} SO _{4} (l)` rarrow `H _{2} SO _{4} (aq)`+79.5kJ`( TRIANGLE H`=`-79.5kJ)` < 흡열 반응 >< 발열 반응 >6. Procedure1) 열량계(calorimetry) 보온병의 열용량 측정① 눈금 실린더에 40도 물 100ml을 측정하여 보온병 열량계에 넣고 스티로폼 뚜껑을 덮은 후 구멍을 통해 온도탐침을 넣고 온도를 측정한다. (물의 초기 온도 값)② 이후 60도 물 100ml의 온도를 측정하고, 보온병에 넣은 뒤 나중 온도를 측정한다. (일정한 온도가 유지되는 상태일 때의 온도를 측정한다.)③ 보온병의 열용량(C _{보온병})을 구한다.2) 염화칼슘의 용해열① 물 200ml를 보온병에 넣고 초기 온도를 측정한다.② 가열교반기에 보온병을 올려놓고 마그네틱 바를 보온병 안에 넣어 준다.③ 보온병에 염화칼슘 10g을 넣고 스티로폼 뚜껑을 잘 덮은 뒤 교반을 해 주면서 탐침으로 온도를 측정한다. (20g으로 한번 더 실험한다.)④ 최고 온도일 때의 값을 기록한다.(물과 보온병의 나중온도 값)⑤ 온도 변화량을 계산한 후 염화칼슘의 몰 용해열 값을 구하고, 이론값과 비교해본다.3) 질산 암모늄의 용해열① 물 200ml를 보온병에 넣고 초기 온도를 측정한다.② 가열교반기에 보온병을 올려놓고 마그네틱 바를 보온병 안에 넣어 준다.③ 보온병에 질산 암모늄 10g을 넣고 스티로품 뚜껑을 잘 덮은 뒤 교반을 해 주면서 탐침으로 온도를 측정한다.(20g으로 한번 더 실험한다.)④ 최고 온도 일 측정되었다.- 염화칼슘 10g을 저울로 측정하였고, 실험에 10.01g을 사용하였다.- 보온병에 염화칼슘을 넣고 교반했을 때, 나중 온도로 30.45℃가 측정되었다.- 증류수 200ml를 넣은 후, 초기 온도로 23.31℃가 측정되었다.- 염화칼슘 20g을 저울로 측정하였고, 실험에 20.00g을 사용하였다.- 보온병에 염화칼슘을 넣고 교반했을 때, 나중 온도로 36.21℃가 측정되었다.3) 질산 암모늄의 용해열- 증류수 200ml를 보온병에 넣은 후, 초기 온도로 23.25℃가 측정되었다.- 질산 암모늄 10g을 저울로 측정하였고, 실험에 10.00g을 사용하였다.- 보온병에 질산 암모늄을 넣고 교반했을 때, 나중 온도로 19.65℃가 측정되었다.- 증류수 200ml를 보온병에 넣은 후, 초기 온도로 23.07℃가 측정되었다.- 질산 암모늄 10g을 저울로 측정하였고, 실험에 20.01g을 사용하였다.- 보온병에 질산 암모늄을 넣고 교반했을 때, 나중 온도로 16.24℃가 측정되었다.- 온도 탐침이 자석젓개에 닫지 않게 잘 조정한다.- 보온병의 온도를 측정할 때에는 1분 이상 유지되는 온도, 즉 동적평형 상태에 이룬 온도를 적는다.- 실험에 사용한 용액들은 비커에 모아두었다가 ‘무기폐액통’에 버렸다.8. Results1) 보온병의 열용량 구하기(나중온도 200ml 물의 열에너지 + 보온병의 열에너지 변화량= 초기온도 100ml 물의 열에너지 + 60도 100ml 물의 열에너지)① 보온병에 40℃물 100ml를 넣은 후 초기 온도 : 37.62℃② 이후 60℃물 100ml 더 넣은 후 나중 온도 : 46.20℃③ 방출된 열의 양(물이 잃은 열 = 보온병이 얻은 열)4.18J/g℃TIMES 100mLTIMES 1g/mLTIMES 37.62℃+ 4.18J/g℃TIMES 100mLTIMES 1g/mLTIMES 60℃= 4.18J/g℃TIMES 200mlTIMES 1g/mLTIMES 46.20℃ +C _{보온병}TIMES (46.20 - 37.62)℃THEREFOR J / 0.09020 molTIMES {1kJ} over {1000J} = - 93.04kJ⑦ 사용한 염화칼슘의 몰수 : 20.00g / 110.98g/mol = 0.1802mol⑧ 증류수 200mL의 초기온도: 23.31℃⑨ 나중온도: 36.21℃⑩ 염화칼슘의 용해열 (물의 비열 : 4.18J/g℃)(4.18J/g℃TIMES 220gTIMES 36.21℃) - (4.18J/g℃TIMES 200gTIMES 23.31℃) + 254.31J/g℃TIMES (36.21-23.31)℃ = 17092.2-> -17092.2J (열 방출)⑫ 염화칼슘의 몰 용해열-17092.2JDIVIDE 0.1802mol` TIMES {1kJ} over {1000J}= -94.85.kJ-> 염화칼슘 몰 용해열 평균값{-93.04kJ+(-94.85kJ)} over {2}= -93.945kJ/mol3) 질산 암모늄의 용해열 구하기① 사용한 질산 암모늄의 몰수 : 10.00g / 80.04 g/mol = 0.1249mol② 증류수 200mL의 초기온도: 23.25℃③ 나중온도: 19.65℃④ 질산암모늄의 용해열 (물의 비열 : 4.18J/g℃)(4.18J/g℃TIMES 210gTIMES 19.65℃) - (4.18J/g℃TIMES 200gTIMES 23.25℃) + 254.31J/g℃TIMES (19.65-23.25)℃ = -3103.7J-> -3103.7J (열 흡수)⑥ 질산 암모늄의 몰 용해열3103.7JDIVIDE 0.1249mol TIMES {1kJ} over {1000J} = 24.849kJ/mol⑦ 사용한 질산 암모늄의 몰수 : 20.01g / 80.04 g/mol = 0.2500mol⑧ 증류수 200mL의 초기온도: 23.07℃⑨ 나중온도: 16.24℃⑩ 질산암모늄의 용해열 (물의 비열 : 4.18J/g℃)(4.18J/g℃TIMES 210gTIMES 16.24℃) - (4.18J/g℃TIMES 200gTIMES 23.07℃) + 254.31J/g℃TIMES (16.24-23.0%,
일반화학실험-------------1. Title : 화학 반응 속도2. Date : 2021년 10월 21일(목)3. Purpose: 화학 반응의 속도식을 나타내는 데 필요한 속도 상수와 반응 차수를 실험적으로 결정한다.4. Reagents&ApparatusNameFormulaM.w(g?mol-1)M.p(℃)B.p(℃)d(g?ml-1)Hydrogen peroxideH _{2} O _{2}34.0147-0.43150.21.135(20℃, 30wt%)Potassium iodideKI166.002868113303.131) Reagents2) Apparatus: 250ml 가지 달린 삼각 플라스크, 마그네틱 바, 기체 부피 측정관(20ml 피펫), 수위 조절 용기, 고무셉터, 25ml 눈금 실린더, 10ml 눈금 실린더, 고무관 2개, 초시계, 가열 교반기, 100ml 비커 2개, 테프로 테이프, 20ml 주사기, 스탠드, 뷰렛클램프5. Theory1) 반응속도화학 반응의 속도는 단위 시간당 생성물의 농도 증가 또는 단위 시간당 반응물의 농도 감소로 정의된다.aA+bB``` rarrow ```cC+dD 위의 반응에서의 반응 속도는 다음과 같다. 전체 반응 속도 표현은 반응물과 생성물의 계수를 고려하여 1mol당 속도로 표현하며 속도는 항상 +값은 쓴다. 전체 반응 속도 표현법으로 반응의 화학량론으로부터 생성 속도와 소모 속도의 관계를 알 수 있다.v=- {1} over {a} {d[A]} over {dt} =- {1} over {b} {d[B]} over {dt} =+ {1} over {c} {d[C]} over {dt} =+ {1} over {d} {d[D]} over {dt} 반응 속도는 반응물인 A와 B의 단위 시간당 농도가 같고, 생성물인 C나 D의 단위 시간당 농도 증가와 같다. 반응 속도가 빠르다는 것은 반응물이 감소하는 속도가 빠르거나 생성물이 증가하는 속도가 빠르다는 것을 말한다. 반응이 진행됨에 따라서 각 물질의 농도가 변화하므로 반응 진행도 ξ를 B의 반응에 대한 반응 속도를 두 물질의 농도에 대한 함수로 나타내면 다음과 같다.v=k[A] ^{m} [B`] ^{n} 이 공식에서 k는 반응의 속도 상수로, 반응물의 농도에 무관하고 온도의 영향을 받는다. 즉, 반응물의 농도 중 실제 반응에 참여하는 비율을 나타낸다. 지수 m, n을 반응 차수라고 하며 정수로만 나타나는 값은 아니다. 각각의 물질에 대한 반응 차수의 합은 이 반응의 전체 반응 차수이다. 반응식만 보고 반응 차수를 알 수 없으며 화합물의 농도를 변화시켜 가며 초기속도 실험을 통해서만 결정할 수 있다. 속도 상수 k를 정의한 Arrhenius 식을 보면 속도 상수와 온도의 관계를 알 수 있다.k=Ae ^{-E _{a} /RT} 온도 T가 증가할수록{-E _{a}} over {RT}의 값이 증가하여 지수함수로 표현된 k의 값이 증가하게 된다. 가역 반응에서 역반응의 영향을 최소로 하기 위하여 반응의 초기 속도를 측정하여 반응 속도를 구하는 방법이 널리 사용된다.v=k[A] _{0}^{m} ````([A] _{0}^{m} :반응물`A의`초기`농도)2) 반응의 조건화학적 반응이 일어나기 위해서는 두 반응물 입자들이 서로 충돌해야 한다. 또한 충돌 하되, 각각의 반응물은 활성화 에너지를 넘을 만큼 충분한 에너지를 가져야 한다. 활성화 에너지란 반응물에서 생성물로 변화할 때의 퍼텐셜 에너지 장벽을 말하며 최소한 이 에너지보다 큰 운동에너지를 갖는 분자만 반응할 수 있다. 활성화 에너지의 크기는 반응 마다 다르며, 속도 상수와 온도 및 활성화 에너지 간의 상관관계를 유도한 아레니우스 식이 있다.3) 반응 속도에 영향을 주는 요인가. 농도반응 속도는 반응물의 농도에 큰 영향을 받는다. 농도가 증가하면 반응물 사이의 충돌이 쉬워 반응 속도 역시 증가한다. 반응물이 분리된 입자로 존재하지 않는 고체 표면에서의 반응과 같은 경우에는 고체의 표면적이 넓은 경우에 반응속도가 빠르다.나. 온도아레니우스 식에 나타난 것처럼 반응의 속도 상수인 k가 온도의 영향을 받으 반응 속도를 증가시키는 물질이고, 부촉매는 활성화 에너지를 증가시켜 반응 속도를 감소시키는 물질이다. 촉매가 반응물과 상이 같은 균일 촉매와 반응물과 상이 다른 불균일 촉매로 분류할 수 있다.4) 과산화 수소(H _{2} O _{2})의 분해 반응가. 과산화 수소의 분해 반응1. 과산화 수소의 반응 속도는 매우 느리다.2. 아이오딘화 포타슘을 촉매로 사용하면 반응 속도가 매우 빨라진다.나. 과산화 수소 분해 반응의 속도식5) 수위 조절 용기 사용법수위 조절 용기의 사용법은 다음 그림과 같은 단계로 구성된다.6. Procedure1) 20ml 피펫의 아랫부분과 수위 조절 용기의 아랫부분을 고문관으로 연결하고 물을 채운다. 이때, 내부에 공기가 없도록 한다.2) 스탠드에 뷰렛 클램프를 설치한 뒤 물을 채운 피펫과 수위 조절 용기를 설치하고, 피펫의 윗 부분에 고무관을 끼운다. 고무관이 연결된 부분에 테플론 테이프를 감아 완전히 밀봉한다.3) 수위 조절 용기의 높이를 조절해서 물 높이가 피펫에 새겨진 눈금의 가장 높은 곳(0ml)에 오도록 맞춘다.4) 가지 달린 삼각플라스크에 0.15M KI 용액 10ml와 증류수 15ml를 넣고 고무셉터로 입구를 닫은 후 자석 젓개를 넣어 약하게 섞어 준다. 주사기를 이용하여 3%H _{2} O _{2}5ml를 첨가하고, 삼각 플라스크의 가지와 피펫의 윗 입구를 고무관으로 연결한다. (반응 A)5) 피펫의 수위 변화를 관찰하여 2 mL의 산소가 발생될 때부터 초시계로 시간을 측정한다. 발생한 산소의 부피가 2, 4, 6, 8, 10 mL가 되었을 때의 시간을 기록한다. 이때 발생한 기체에 작용하는 압력이 일정한 상태에서 산소기체의 부피를 측정해야 하기 때문에 수위 조절 용기의 물의 높이와 피펫 안 산소 기체의 높이를 같게 맞춰 준다.6) 반응 용기를 증류수로 깨끗이 씻은 다음에 0.15 M KI 용액 10 mL 와 증류수 10 mL에 3%H _{2} O _{2} 10 mL를 첨가해서 위의 실험을 반복한다. (반응 B)7) 다시 지 않도록 물을 채워 준다.3) 고무관의 연결 부분에서 기체가 새지않도록 완전히 밀봉한다.4) 수위 조절 용기의 높이를 조절해서 물 높이가 0ml에 오도록 맞춘다.7. Observation- 과산화수소를 넣자마자 실험이 진행되므로 주사기를 이용해서 삼각플라스크에 넣어준다. - 기체가 새어나가지 않도록 삼각플라스크 입구를 고무셉터로 막아준다.- 가지 달린 삼각플라스크에 0.15M KI 10mL, 증류수 15mL를 넣고 주사기를 이용해 3% H2O2 5mL를 첨가해주었다.- 2ml가 지났을 때 타이머를 시작하여 4ml가 되었을 때 42.38s, 6ml가 되었을 1m 21.51s, 8ml가 되었을 때 1m 57.88 s, 10ml가 되었을 때 2m 37.71s 가 측정되었다.- 가지 달린 삼각플라스크에 0.15M KI 10mL, 증류수 10mL를 넣고 주사기를 이용해 3% H2O2 10mL를 첨가해주었다.- 2ml가 지났을 때 타이머를 시작하여 4ml가 되었을 때 16.82s, 6ml가 되었을 31.28s, 8ml가 되었을 때 44.69 s, 10ml가 되었을 때 56.76s 가 측정되었다.- 가지 달린 삼각플라스크에 0.15M KI 20mL, 증류수 5mL를 넣고 주사기를 이용해 3% H2O2 5mL를 첨가해주었다.- 2ml가 지났을 때 타이머를 시작하여 4ml가 되었을 때 14.88s, 6ml가 되었을 30.24s, 8ml가 되었을 때 43.24 s, 10ml가 되었을 때 57.81s 가 측정되었다.- 사용한 시약을 한 곳에 모아 무기폐액통에 버린다.- 반응 B가 반응 A,C에 비해 반응속도가 빠른 것을 관찰 할 수 있다.8. Results1) 용액의 부피를 이용한 반응별 속도*반응 물질 전체의 양을 일정하게 하면 반응에 사용한 용액의 부피를 농도로 사용할 수 있다.① 반응 A의 속도,v _{A} =k[5] ^{m} [10] ^{n} ② 반응 B의 속도,v _{B} =k[10] ^{m} [10] ^{n} ③ 반응 C의 속도,v _{C} =k[5] ^{m} [200] ^{n}} over {k[5] ^{m} [10] ^{n}} =2 ^{n}2) 산소 발생에 걸리는 시간(초)발생한 산소의 부피반응 A 시간(s)반응 B 시간(s)반응 C 시간(s)2ml42.38 s16.82 s14.88 s4ml81.51 s31.28 s30.24 s6ml117.88 s44.69 s43.24 s8ml157.71 s56.76 s57.81 s3) 산소의 부피와 발생 시간을 통해 반응 속도 계산반응``속도(mL/s)= {산소의`부피} over {산소`발생`시간} 각 실험에서 나온 데이터 값을 바탕으로 그래프로 나타냈다. 여기서 그래프의 기울기가 반응 속도(ml/s)이다.① 반응 A의 속도(v _{A}) ={8`ml} over {157.71`s} = 0.050726 ml/s② 반응 B의 속도(v _{B}) ={8`ml} over {56.76`s} = 0.14094 ml/s③ 반응 C의 속도(v _{C}) ={8`ml} over {57.81`s} = 0.13838 ml/s④ 실험을 통한 속도 비{v _{B}} over {v _{A}} ,` {v _{C}} over {v _{A}}를 구한다.{v _{B}} over {v _{A}} = {0.14094} over {0.050726} =`2.7785#{v _{C}} over {v _{A}} = {0.13838} over {0.050726} =2.72804) 반응 차수 m,n 속도 상수 k의 결정① 반응 차수 m : 1.47432 ^{m} =2.7785``,```log _{2} 2.7785=`1.4743 ② 반응 차수 n : 1.447842 ^{n} =2.7280``,```log _{2} 2.7280=1.4478` ③ 반응 차수 k :1.69 TIMES 10 ^{-4} `/mL BULLET `sv _{A} =k[5] ^{m} [10] ^{n}0.050726=k[5] ^{1.4743} [10] ^{1.4478} ,```k= {0.050726} over {[5] ^{1.4743} TIMES [10] ^{1.447}
일반화학실험-----------1. Title : 지시약의 작용 원리2. Date : 2021년 11월 18일(목)3. Purpose: 지시약이 포함된 산-염기 용약의 pH를 변화시키고, 그 때 용액의 흡광도 변화를 측정하여 지시약의 이온화 상수와 변색범위를 알아낸다.4. Reagents&ApparatusNameFormulaM.w(g?mol-1)M.p(℃)B.p(℃)d(g?ml-1)Bromophenol BlueH _{2} O _{2}669.962792732.2수산화 암모늄NH _{4} OH35.0124.7-91.50.88염산HCl36.46094110-27.321.181) Reagents1) Apparatus: 100ml 눈금 실린더, 50ml 삼각 플라스크 7개, 1ml 일회용 피펫, 분광기, 큐벳 9개, 일회용 스포이트 9개, 100ml 비커, 50ml 비커5. Theory1) 지시약화학 반응에서 일정한 상태 또는 변화를 나타내는 시약으로 주로 용액의 색변화를 기준으로 하여 종말점을 확인하기 위해 쓰이는 물질이다. pH에 따라 색깔이 달라지는 산-염기 지시약, 산화형과 환원형의 색깔이 다른 점을 이용하는 산화-환원 지시약, 킬레이트 적정에 사용되는 금속 지시약, 침전에 흡착될 때 색깔이 변하는 흡착 지시약 등이 있다. 산-염기 지시약의 경우, 외부 pH가 급격히 변하게 되면 지시약 분자가 산성형 혹은 염기성형으로 바뀌게 되고, 산성형과 염기성형의 색이 달라 종말점을 결정할 수 있다.2) 산-염기 지시약의 평형 반응약산에 해당하는 지시약 HIn는 수용액에서 해리하여 다음과 같은 평형 상태를 이루며, 산성형-염기성형의 구조에 따라 나타내는 색이 달라진다.`````HIn` LRARROW `H ^{+} +I`n ^{-}#산성형`````````````염기성형 ① 용액 중 수소 이온의 농도가 커지면(산성 용액) 르샤틀리에의 법칙에 의하여 평형이 왼쪽으로 이동하며 HIn의 농도가 증가하여 산성형의 색을 띠게 된다.`````HIn` larrow `H ^{+} +I`n ^{-}#② 용액 중 수소 이온의 농도가 감소하면(염기성 용액) 평형이 오른쪽으로 이동하며I`n ^{-}의 농도가 증가하여 염기성형의 색을 띠게 된다.`````HIn` rarrow `H ^{+} +I`n ^{-}#* 르샤틀리에의 원리란 가역 반응이 평형 상태에 있을 때 농도, 압력, 온도의 조건을 변화시키면 화학계는 그 변화를 감소시키는 방향으로 평형이 이동하여 새로운 평형에 도달한다는 원리이다.3) 해리 상수지시약의 해리 반응에 대한 평형 상수 값으로 산이나 염기의 세기를 측정할 수 있다. 산 해리 상수 값이 클수록 이온화가 잘 되는 것을 나타내므로 센산이다. 해리 상수를 다음과 같이 나타낼 수 있다.이 식을 정리한 후, 양변에 log를 취하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.4) pH 변색 범위[HIn]=[I`n ^{-} ], 즉pH=pK _{I`n}일 때 지시약은 산성형과 염기성형의 색깔이 함께 나타난다.K _{I`n} = {[I`n ^{-} ][H ^{+} ]} over {[HI`n]} [HIn]와[I`n ^{-} ]가 10배 이상 차이 나게 되면, 농도가 진한 형태의 색깔이 나타나게 된다. 그러므로pK _{I`n}- 1 < pH 7)이다.③ 센산을 약염기로 적정할 때 당량점에서 용액의 pH는 산성(pH
일반화학실험------------1. Title : 화학 전지2. Date : 2021년 11월 4일(목)3. Purpose: 자발적 화학 반응으로 일어나는 전자 이동을 이용하여 전기 에너지를 얻는 화학 전지의 원리를 알아본다.4. Reagents&ApparatusNameFormulaM.w(g?mol-1)M.p(℃)B.p(℃)d(g?ml-1)ZincZn65.384209077.14CopperCu63.55108525628.94IronFe55.85153530007.86AluminiumAl26.9866023272.7Zinc nitrateZn(NO _{3} ) _{2}189.36110-2.06Copper nitrateCu(NO _{3} ) _{2}187.56114.51703.05Ferric NitratenonahydrateFe(NO _{3} ) _{3} BULLET 9H _{2} O40447.2-1.68AluminiumnitratenonahydrateAl(NO _{3} ) _{3} BULLET 9H _{2} O375.1373150 decomp1.72Potassium ChlorideKCl74.5577014201.984distilled waterH _{2} O18.01010011) Reagents2) Apparatus: 구리판, 아연판, 철판, 납판, 알루미늄판, 멀티미터, 구리전선(집게형), 사포(400방), 50 mL 비커 4개, 스포이트, 부피플라스크, 거름종이, 양초, 눈금 실린더, 약수저, 가열교반기, 시약종이, 저울, 집게전선(적, 흑), 핀셋, 일회용 피펫, 시험관5. Theory1) 금속의 반응성(이온화 경향)금속의 반응성은 금속 원자가 산화되어 양이온이 되려는 경향이 큰 순에서 작은 순으로 차례대로 나열한 것이다. 금속의 반응성은 특정 금속의 산이나 물과의 반응성, 단순 치환반응, 광석으로부터 제련하는 법 등과 관련이 있다. 예를 들어, 아래의 금속의 반응성 순서를 보면 아연은 구리보다 반응성이 크다. 따라서 고체 상태의 금속 아연을 황산구리(CuSO4) 분자를 ‘환원’되었다고 한다. 한 원자가 산화하면 다른 원자는 환원되기 때문에 산화-환원 반응은 항상 동시에 일어난다. 화학 전지는 산화-환우너 반응의 가장 대표적인 응용 사례이다. 아연과 구리로 만들어진 화학 전지의 경우, 아연은 전자를 잃고 산화되고 구리 이온은 전자를 얻어 환원된다. 자신은 환원되면서 다른 물질을 산화시키는 물질을 산화제, 반대의 물질을 환원제라고 한다. 따라서 전자를 얻는 성질이 강할수록 강한 산화제, 전자를 잃는 성질이 강할수록 강한 환원제이다.3) 화학 전지< 화학 전지 ? 다니엘 전지 >화학 전지는 화학 반응(산화-환원 반응)을 통해 전기 에너지를 발생시키거나 전기 에너지를 사용하여 화학 반응을 일으키는 장치이다. 화학 전지는 환원 전극과 산화 전극으로 일컫는 전극이 있고, 각 집전체와 반응 재료인 활성 물질로 구성되어 있다. (-)극에서는 산화가, (+)극에서는 환원이 일어난다. 따라서 전자는 (-)극에서 (+)극으로 이동하고 전류는 (+)극에서 (-)극으로 이동한다. 1차 전지로는 볼타 전지, 다니엘 전지, 2차 전지로는 납축 전지, 니켈-수소 전지, 리튬이온 전지 등이 있다. 1차 전지는 활성 물질을 전부 반응시키면 더 이상 사용할 수 없지만 2차 전지는 충전이 가능하여 반복적인 사용이 가능하다.전지에서 환원 반응이 일어나는 전극을 환원 전극, 산화 반응이 일어나는 전극을 산화 전극이라고 한다. 따라서 우리 실험에서는 전자가 Zn판에서 전구로 들어가기에 아연판이 산화되므로 anode(전압계에서 (-)극을 띔), 전구에서 전자가 나와 들어가는 방향의 Cu 판은 Cu2+이온이 환원되므로 cathode(전압계에서 (+)극을 띰)가 된다. 전기 분해의 경우는 변압 장치를 사용하여 특정 전압을 가하고 전해질에서 산화 환원 반응이 일어나 기에 이를 통해 확인한다. 예를 들어 산화 환원 반응이 일어나는 전해질로 전자가 들어 가는 전극에서는, 전해질이 환원 반응이 일어나므로 cathode(변압장치의 (-)부분 연결됨), 전해질에서 다시 전자져 있다. 그러므로 전위차계에서 측정된 전압이 전기 화학 반응의 표준 환원 전위라고 할 수 있다. 예를 들어, 다니엘 전지에서 아연 전극을 표준 수소 전극으로 바꾸어 전지를 꾸미고 이 전지가 나타내는 전위차를 측정하면 +0.337V의 값을 얻는다. 수소가 전자를 내어놓는 세기가 구리보다 0.337V만큼 크기 때문이다. 이렇게 전지의 전압은 산화되는 반쪽 전지와 환원되는 반쪽 전지를 어느 것으로 하는가에 따라 달라진다.표준 환원 전위는 다음과 같은 사항을 따른다.< 표준 환원 전위 > ① 모든 반쪽 반응은 환원 반응을 기준으로 나타낸다.② 각 반쪽 반응은 오른쪽으로 진행할 수도 있고 왼쪽으로도 진행할 수도 있다.③ 표준 환원 전위의 값이 클수록 환원이 잘 되고, 작을수록 산화가 잘 된다.④ 산화제는 반쪽 반응식의 왼쪽에, 환원제는 오른쪽에 나타낸다.⑤ 두 반쪽 전지를 연결할 때, 표준 환원 전위가 작은 것이 (-)극, 표준 환원 전위 값이 큰 것이 (+)극이 된다.⑥ 두 반쪽 전지를 연결할 때, 표준 환원 전위 값 차이가 클수록 전지의 기전력이 커진다.⑦ 전지의 기전력은 반쪽 전지를 구성하는 물질의 본질과 농도에만 의존할 뿐 양에는 관계없다.표준 환원 전위가 양의 값이면 표준 상태에서 수소 이온보다 환원이 잘 되고, 음의 값이면 수소 이온보다 환원이 잘 되지 않음을 뜻한다. 즉 표준 환원 전위는 그 값이 클수록 (전극 입장에서) 환원성이 크고, 작을수록 산화성이 커짐을 의미한다.5) 분극전해 시 생성물로 인하여 극이 생기는 것을 분극 현상이라고 한다. 즉, 전극에 석출된 물질이 다시 이온이 되려는 경향을 말한다. 전해 시 생성된 수소 기체가 금속판의 환원을 방해하여 생기는 전압 강하는 이러한 분극 현상에 기인한다. 수소 기체가 금속판의 표면을 둘러싸면 수소 이온이 금속판으로부터 전자를 받는 것이 방해되고, 수소 기체가 수소 이온으로 산화되는 역반응이 발생하여 전압이 감소된다. 이 현상을 해소하기 위해 서는 수소 기체를 제거하거나 염다리를 이용한다.6) 염다리전지전지는 염다리를 이용하기 때문에 분극 작용이 없다. 여기서 염다리는 두 전해질을 분리시키고 전해질 사이에 전류가 흐르도록 해주는 역할을 < 다니엘 전지와 염다리 > 한다.7) 르샤틀리에의 원리평형 상태에서 어떤 자극이 가해지면 이 자극을 감소시키는 반양으로 평형의 위치가 이동된다는 것이다. 여기서 자극은 반응물과 생성물의 농도 변화, 부피와 압력 변화, 온도 변화를 의미한다. 새로운 평형에 도달할 때까지 혼합물의 조성이 변하고 반응은 자극을 완화하는 방향으로 일어난다.6. Procedure실험 A 전기화학적 서열1) 금속판(납, 구리, 아연)을 준비하여 고운 사포로 깨끗하게 닦는다.2) 두 개의 비커에 1.0MCu(NO _{3} ) _{2} 용액 약 10.0ml를 준비하고 아연, 납 금속판을 담근다.3) 같은 방법으로 두 개의 비커에 1.0MZn(NO _{3} ) _{2}용액에 구리판과 납판을 넣고, 같은 방법으로 1.0MPb(NO _{3} ) _{2}용액에는 구리판과 아연판을 담근다.4) 각 비커에서 일어나는 현상을 관찰한다.실험 B. 화학전지① 화학전지판 만들기1) 연필을 이용해 거름종이에 미리 주어진 틀과 동일한 틀을 그리고 양초로 틀 바깥 부분을 꼼꼼히 칠해준다.2) 가열 교반기에서 칠한 양초를 약 10초 정도 녹여낸다.3) 양초를 녹여낸 거름종이(화학전지판)의 가 통로 부분에 약 1cm 정도 거리를 두고 칼집을 낸 뒤, 준비된 금속판을 각각 끼워준다. 그리고 각 금속에 해당하는 전해질 용액을 준비한다.4) 샬레에 화학전지판을 올린 뒤, 각 금속판에 해당되는 금속 전해질 용액을 작은 원이 찰 정도로 (1~2방울) 적셔주고 중앙의 금속판이 모이는 부분은 KCl 전해질 용액을 적셔준다.② 화학 전지 측정1) 멀티미터를 켜고(전압설정:DC2~20V) 두 전선을 금속판에 연결하고 하나의 금속 판과 다른 종류의 금속판을 번갈아가며 측정하며, 금속판의 조합에 따른 멀티미터에 표시되는 전위차를 측정한다.2) 적,흑 전선의 방향을 바꿔 다시 측정해보고 어떠한 차이가 연, 납, 납, 구리이다.- 사용한 시약은 무기폐액통에 버린다.실험 B. 화학전지< 화학 전지 틀 > < 전압 측정 >- 양초를 거름 종이 위 화학 전지 틀 바깥부분에 빈틈없이 칠하고 가열 교반기를 이용하여 양초를 녹여준다.- 멀티미터의 전압을 2V로 설정한다.- 멀티미터를 킨 뒤, 검은색 · 빨간색 탐침을 번갈아가며 두 개의 금속판의 전압을 측정한다.- 양초를 칠한 부분으로 수용액이 이동하지 않는다.- 각각의 금속에 동일한 수용액을 거름종이에 두 방울을 떨어뜨리고 원할한 반응을 위해 금속판 위에 한 방울 떨어뜨린다.- 시간이 흐른 후 측정한 전압은 수용액을 떨어뜨린 직후 측정한 전압값보다 작게 측정되었다.8. Results실험 A 전기화학적 서열1) 각 비커에서 관찰한 사항- 납 수용액에 아연 금속판을 넣으면 검정색으로 변한다.- 납 수용액에 구리 금속판을 넣으면 아무런 변화가 일어나지 않는다.- 구리 수용액에 아연 금속판을 넣으면 금속 표면에 기포가 발생하고 구리가 많이 석출된다.- 구리 수용액에 납 금속판을 넣으면 금속 표면에 구리가 석출된다.- 아연 수용액에 납 금속판을 넣으면 아무런 변화가 일어나지 않는다.- 아연 수용액에 구리 금속판을 넣으면 아무런 변화가 일어나지 않는다.2) 산화가 잘되는 순서 : Zn > Pb > Cu실험 B. 화학전지1) 각각의 금속판 사이의 이론적 전위차 값이론값 (V)검은색 탐침과 연결한 금속빨간색 탐침과 연결한 금속ZnCuAlFeZn- 1.100.897- 0.3230.7771.9971.10Cu- 1.22-1.997- 0.897Al1.22- 0.7770.323Fe실험값 (V)검은색 탐침과 연결한 금속빨간색 탐침과 연결한 금속ZnCuAlFeZn- 0.291- 0.110- 0.190Cu0.3250.1680.129Al0.149- 0.175- 0.050Fe0.185- 0.1390.0562) 각각의 금속판 사이의 실험적 전위차 값5분 후 측정값 (V)검은색 탐침과 연결한 금속빨간색 탐침과 연결한 금속ZnCuAlFeZn- 0.289- 있다.