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시계 반응 – 위키백과, 우리 모두의 백과사전
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유형[편집]
예시[편집]
같이 보기[편집]
각주[편집]
아황산수소나트륨(NaHSO3)과 아이오딘산칼륨(KIO3)의 반응속도 실험 (아이오딘 시계반응), 파이썬 계산화학 프로그램
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– 공군 ROKAF 현역병 복무중 (22.01. ~ 23.10.)
– 충남삼성고 4기 IT디플로마
– 건국대학교 컴퓨터공학부 재학중
– 건국대학교 DMS 연구실
심층강화학습연구팀 학부연구생
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아황산수소나트륨(NaHSO3)과 아이오딘산칼륨(KIO3)의 반응속도 실험 (아이오딘 시계반응) 파이썬 계산화학 프로그램
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아이오딘 시계반응-(Iodine clock reaction)
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[일반화학실험] 24. 시계반응 실험(반응속도에 미치는 농도의 영향) 레포트 (보고서
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![[일반화학실험] 24. 시계반응 실험(반응속도에 미치는 농도의 영향) 레포트 (보고서](https://img1.daumcdn.net/thumb/R800x0/?scode=mtistory2&fname=https%3A%2F%2Fblog.kakaocdn.net%2Fdn%2FwCrGz%2FbtrAWAL6BgP%2F7b3YqBpKtoUxT56fIbVnNk%2Fimg.png)
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시계 반응(영어: Clock reaction), 화학 시계(영어: Chemical clock) 또는 란돌트 반응은 예측 가능한 시간을 유도 후에 관측 가능한 특성이 발생하는 반응이다.[1] 일정 시간 경과 후 변색, 침전 생성 등 뚜렷한 변화를 일으키는 반응이다. 예컨대, 시약 중 하나가 눈에 보이는 색을 가진 경우, 농도 한계치를 넘으면 재현 가능한 시간이 경과한 후 갑자기 색상이 변할 수 있다.
유형 [ 편집 ]
시계 반응은 세 가지 또는 네 가지 유형으로 분류될 수 있다:[2]
기질-고갈 시계 반응
자체 촉매 작용 방식의 시계 반응
모조시계 행동
미친 시계 반응
한 가지 반응은 상황에 따라 위의 두 가지 이상의 분류로 분류될 수 있다. 예를 들어 아이오딘산염-아비산 반응은 기질-고갈 시계 반응, 자체 촉매 작용 방식의 시계 반응, 미친 시계 반응 등이 될 수 있다.
예시 [ 편집 ]
대표적인 것이 아이오딘 시계 반응(영어판)인데, 아이오딘 종은 전분이 있는 곳에서 산화·환원 반응 시약과 혼합된다. 지연된 후, 삼아이오딘화-탄수화물 콤플렉스(아이오딘-탄수화물 검정(영어판)) 형성에 의해 갑자기 짙은 청색이 나타난다.
화학적 오실레이터(영어판)를 만들기 위해 일부 시계 반응에는 시약을 추가할 수 있다. 예를 들어 브릭스-라우셔 반응(영어판)은 과염소산, 말론산, 황산(II) 망가니즈(영어판) 등을 첨가한 아이오딘 시계 반응에서 유래한다.[3]
같이 보기 [ 편집 ]
각주 [ 편집 ]
아황산수소나트륨(NaHSO3)과 아이오딘산칼륨(KIO3)의 반응속도 실험 (아이오딘 시계반응), 파이썬 계산화학 프로그램
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안녕하세요. 교내대회인 반응속도탐구대회에 자연과학계열의 친구와 함께 참가했습니다. 주제는 아황산수소나트륨(NaHSO3)과 아이오딘산칼륨(KIO3)의 반응속도에 대한 탐구였습니다. 흔히 아이오딘(이전 요오드) 시계반응이라고도 합니다. 제가 화학에도 관심이 있었기 때문에 교내대회 후 확장연구를 진행하고 싶어서 흔쾌히 하자고 했습니다.
먼저 실험에 대해 전반적인 내용부터 말씀드리도록 하겠습니다. (보고서 내용입니다)
I. 실험지식(이론)
반응속도식
반응 속도란, 반응이 빠르게 또는 느리게 일어나는 정도를 의미하며, 일정한 시간 동안 변화된 반응물이나 생성물의 농도를 측정하여 나 타낸다. 그리고 반응 속도는 크게 평균 반응 속도와 순간 반응 속도로 나눠진다. 위 식에서 k는 속도 상수, m과 n은 반응 차수이다. 반응 차수는 실험에 의해 결정된다. 평균 반응 속도란, 반응이 진행된 구간의 농도 변화를 반응이 진행된 시간으로 나누어 나타 낸 속도이며, 순간 반응 속도란, 특정 시간에서의 반응 속도이다. 반응 속도는 ‘반응 물의 농도 변화/반응시간’ 혹은 ‘생성물의 농도 변화/반응시간’으로 구할 수 있다.
반응 속도에 영향을 주는 요소는 크게 세 가지로 나눌 수 있다. 고체, 액체, 기체에 공 통적으로 영향을 주는 요소는 온도이다. 부가적으로 고체의 경우 두 물질의 표면적에 따라 반응하는 속도가 달라질 수 있고, 액체의 경우 두 용액의 밀도(농도)에 따라 반응 하는 속도가 달라질 수 있고, 기체의 경우 가해지는 압력이 반응하는 속도에 영향을 미칠 수 있다.
아황산수소나트륨과 아이오딘산칼륨의 화학반응식입니다. 다단계반응으로 5단계에 걸쳐 일어납니다.
식 1)은 물에서 이온이 녹는 용해과정입니다.
식 2)에서는 IO3-가 환원, HSO3-가 산화되고, 식 3)에서 I-가 환원, IO3-가 산화되는 산화환원반응입니다.
식 4)는 매우 빠른 반응이며, 아이오딘 분자와 아이오딘화 이온이 만나 삼아이오딘화 이온이 되는 반응입니다.
출처 : http://xn--ggle-gpoa.la/photo-gallery/vitamin-c-starch-iodine-indicator
식 5)는 우리가 눈으로 볼 수 있는 유일한 반응입니다. 삼아이오딘화이온과 녹말이 물리적 결합을 하게 되어 파란 파장의 빛 스펙트럼을 반사하여 파랗게 보이게 됩니다.
II. 가설설정
가설 1. 반응물의 온도가 높을수록 반응 속도가 빨라질 것이다.
조작변인 : 반응물인 아황산수소나트륨과 아이오딘산칼륨 수용액의 온도
통제변인 : 반응물의 양, 주변온도, 압력
조작변인인 온도만 조절함으로서 온도변화에 따른 반응속도의 변화를 관찰한다.
가설 2. 아이오딘산칼륨 수용액의 농도가 높을수록 반응 속도가 빠를 것이다.
조작변인 : 아이오딘산칼륨 수용액의 농도(아이오딘산칼륨, 증류수 용량)
통제변인 : 아황산수소나트륨의 용량, 반응물의 온도, 주변온도, 반응물의 양, 압력
조작변인인 농도만 조절함으로서 농도변화에 따른 반응속도의 변화를 관찰한다.
III. 시약 및 기구
[시약]▸아황산수소나트륨 (NaHSO3 , 분자량 104.06, CAS no : 7631-90-5)
위험성 : H318, P280, P305+P351+P338, P310
사용량 : 0.05M 수용액을 실험에 사용하기 위해 1L 당 총 5.2g(=104.06×0.05)을 사용한다.
▸아이오딘산칼륨 (KIO3 , 분자량 214, CAS no : 7758-05-6)
위험성 : H3O2, P264, P270, P301+P312, P330, P501
사용량 : 0.05M 수용액을 실험에 사용하기 위해 1L 당 총 10.7g(214×0.05) 사용
▸녹말 ((C6H10O5)n , 분자량 약 5만 ~ 20만, CAS no : 9005-25-8)
위험성 : 없음
사용량 : 아황산수소나트륨-아이오딘산칼륨 반응실험(농도 및 온도 조작) 용액 제조 시 90mL 사용 즉, 녹말 1% 수용액 100mL 제조를 위해서 증류수 100mL와 녹말 1g이 필요
▸증류수(H2O), 분자량 18, CAS no : 7732-18-5)
위험성 : 없음
사용량 : 아황산수소나트륨-녹말 용액제조 용액 당 1L 사용 = 1L 아이오딘산칼륨 용액제조 용액 당 1L 사용 = 1L 녹말 1% 용액 제조 용액 당 100mL 사용 = 100mL 실험1 회 당 각각 8, 16, 24, 32mL = 80mL 실험2 회 당 16mL 사용 = 80mL (총 5회)
∴ 총 2,260mL 사용
[기구]IV. 실험 설계
[용액 제조]실험 시작 전, 실험에 사용할 용액을 제조한다.
1. 녹말 1% 용액
1) 증류수 100g이 담긴 500mL 비커에 녹말 1g을 넣는다.
2) 마그네틱바를 넣고 교반기를 이용해 녹말을 녹여준다.
2. 용액 A(0.05M 아황산수소나트륨 수용액 + 녹말)
1) 증류수 600mL가 담긴 1000mL 삼각플라스크에 5.2g의 아황산수소나트륨을 넣는다.
2) 녹말 1% 용액 90mL를 삼각플라스크에 넣는다.
3) 증류수를 더 부어 1000mL를 맞추어준 후 유리막대로 저어 녹여준다.
3. 용액 B(0.05M 아이오딘산칼륨 수용액)
1) 증류수 600mL가 담긴 1000mL 삼각플라스크에 10.7g의 아이오딘산칼륨을 넣는다.
2) 증류수를 더 부어 1000mL를 맞추어준 후 유리막대로 저어 녹여준다.
단, 모든 용액 제조 시 상온에서의 기준이 되는 용액의 온도가 달라질 수 있으므로 가열하지 않는다.
[실험 1] 가설 1을 증명하기 위해 시행한다.1. 비커 50mL에 위 표와 같은 농도의 용액 A‘와 용액 B’를 각각 5개씩 옮겨 담는다. (용액 A’와 용액 B’는 각각 용액 A와 용액 B에 증류수를 위 표와 같이 섞는다. 또한 각 비커에 번호를 표기한다.)
2. 0℃, 10℃, 20℃의 비커는 얼음 중탕을 이용해 온도를 낮추어준다. 이때, 온도계를 이용해 정확한 온도를 맞춘다.
3. 30℃, 40℃의 비커는 교반기를 이용해 온도를 높여준다. 이때, 온도계를 이용해 정확한 온도를 맞추고 온도가 맞추어지면 용액 A를 용액 B의 비커에 붓는다.
4. 용액이 부어져 들어가는 순간부터 용액의 색이 바뀌기 시작하는 순간까지의 시간을 측정한다. (정밀한 측정을 위해 영상을 촬영한 후 3번 측정한다.)
[실험 2] 가설 2를 증명하기 위해 시행한다.1. 비커 50mL에 위 표와 같은 농도를 맞추기 위해 일정량의 용액 A와 용액 B를 각각 비커에 옮겨 담는다. (각 비커에 번호를 표기한다.) 이후 증류수를 부어 용액 A’와 용액 B’를 제조한다. (총 용량을 맞추어준다.)
2. 같은 농도끼리 용액 A를 용액 B의 비커에 붓는다.
3. 용액이 부어져 들어가는 순간부터 용액의 색이 바뀌기 시작하는 순간까지의 시간을 측정한다. (정밀한 측정을 위해 영상을 촬영한 후 3번 측정한다.)
V. 실험 결과
[실험 사진] [실험 과정 중 관찰 내용]실험의 결과는 온도가 증가할수록, 농도가 증가할수록 반응속도가 빨라졌다. 가설 1과 가설 2를 실험 1과 실험 2로 증명하였다.
[실험 1 결과] [실험 2 결과]실험 결과에 대한 영상입니다. 한눈에 비교할 수 있도록 편집해보았습니다.
VI. 실험 결과에 대한 논의 및 결론
[실험 과정 중 관찰 내용 분석]실험 1에서 온도가 증가하면 이에 비례하여 반응속도도 증가한다. 선형 추세선을 도입 하여 보면 온도와 반응속도는 거의 선형으로 증가한다. 실험 2에서 농도가 증가하면 반응속도도 증가한다. 거듭제곱형 추세선을 도입하여 보면 추세선이 선형으로 나타나 므로 반응차수가 2차이며, 농도와 반응속도는 제곱의 반비례 관계임을 알 수 있다.
[오차 원인]1. 용액 제조 시 용질 불완전용해로 인한 농도의 미세한 차이
2. 실험 1(온도 조작)에서 용액 온도의 미세한 차이 및 이동과정에서의 온도 변화
3. 각각의 메니스커스 차이로 인한 오차 및 비커에 남은 용액으로 인한 농도 변화
[반응 속도의 차수 유추하기]실험 I-iv와 I-i에서 농도가 0.026M에서 0.05M으로 약 2배가 될 때 용액 A, B 혼합용액 의 반응속도는 23.34s에서 6.21s로 약 ¼배가 된다. 즉 반응차수는 2차이다. (반응차수를 계산해주면 log(623/2309)÷ log(13/25)=2.0033) 혼합용액의 반응차수가 2이므로 m+n=2 이다. 용액 A와 B의 농도가 같으므로 m=n이다. m+n=2이므로 m=n=1.00이다. 즉 반응속도식은 v=k[IO3-]^m[HSO3-]^n이다. 실험 I-i에서 혼합용액의 몰농도(M)을 구하면 0.05×(0.025+0.025)/0.05이므로 M=5×10^-3 반응속도인 6.23과 농도가 4배 변했으므로 4로 나누어주면 v=2.006×10^-4M/s이다. 속도상수 k를 구해주면 2.006×10^-4=k[IO3-]^m[HSO3-]^n=k×0.05×0.05=0.0025k 즉, 속도상수 k=0.802이다. 또한 속도상수는 온도에 정비례하여 변한다.
VII. 참고문헌
∘ ywpop.tistory.com/2675 [반응 속도식 해석]
∘ msds.kosha.or.kr/kcic/msdssearchMsds.do [시약정보 확인]
∘ L.R. Summerlin, and J.L. Ealy, Jr. (1988) Chemical Demonstrations(American Chemical Society) Vol. 1: 103 [화학반응식 참고]
∘ m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=green1&logNo=50189726118&proxyReferer=https%3 A%2F%2Fwww.googe.com%2F [시계반응 반응속도 계산 참고]
여기까지가 실험보고서입니다.
저는 여기서 더 나가 반응속도와 관련된 프로그램을 파이썬 (Python)으로 제작해보기로 하였는데요.
import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt print(“v=k[A]^m[B]^n 반응속도 계산프로그램”) print(“—————————————“) print(“실험 I과 실험 II에서의 정보를 입력하세요”) print(“(단, 실험 II에서의 농도가 더 높아야 함)”) print(” “) print(“실험 I에서”) M_ab1 = float(input(“용액 A, B의 몰농도(M) : “)) L_a1 = float(input(“용액 A의 양(L) : “)) L_b1 = float(input(“용액 B의 양(L) : “)) W_1 = float(input(“증류수 양(L) : “)) T_E1 = float(input(“실험 I의 반응시간(s) : “)) print(” “) print(“실험 II에서”) M_ab2 = float(input(“용액 A, B의 몰농도(M) : “)) L_a2 = float(input(“용액 A의 양(L) : “)) L_b2 = float(input(“용액 B의 양(L) : “)) W_2 = float(input(“증류수 양(L) : “)) T_E2 = float(input(“실험 II의 반응시간(s) : “)) M_N = np.log10(T_E2 / T_E1) / np.log10((M_ab1 / 2) / (M_ab2 / 2)) print(M_N) M = int(round(M_N / 2, 1)) N = int(round(M_N / 2, 1)) print(“반응차수 M = ” + str(M) + “, N = ” + str(N)) M = int(M) N = int(N) M_ab = float((M_ab1 + M_ab2) / 2) M_n = M_ab * (L_a1 + L_b1) / (L_a1 + L_b1 + W_1) V_ab = float(M_n / T_E1 / (M * N)) print(“용액의 농도(M) = ” + str(round(M_ab * (L_a1 + L_b1) / (L_a1 + L_b1 + W_1), 6)), ) print(“반응속도(M/s) = ” + str(round(V_ab, 6)), ) print(“이 실험의 속도상수 k를 계산합니다”) k = float(V_ab / (np.power(M_ab1, M) * np.power(M_ab2, N))) print(“속도상수 k = ” + str(round(k, 6))) x = np.arange(0, 5, 0.1) if M+N is 1: y = x * k * 2 + T_E2 elif M+N is 2: y = x * x * k * 2 + T_E2 elif M+N is 3: y = x * x * x * k * 2 + T_E2 elif M+N is 4: y = x * x * x * x * k * 2 + T_E2 else: y = 0 plt.plot(x, y) plt.show()
코드는 위와 같습니다. 언어는 python을 사용했고요. 그래프를 그려주는 matplotlib와 numpy 라이브러리를 사용했습니다. 제가 반응차수와 속도상수를 계산할 때 쓴 방법을 프로그래밍으로 옮긴 것인데요. 제가 계산할 때 실험 I-i와 I-ii를 비교해 위에서 속도상수 k=0.802, 반응차수는 m=n=1을 도출해냈었죠. 이를 프로그램을 실행시켜 입력하게 되면 아래와 같은 그래프가 출력됩니다.
출력 결과는 위와 같습니다.
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[일반화학실험] 24. 시계반응 실험(반응속도에 미치는 농도의 영향) 레포트 (보고서
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1. 목표
시계 반응을 이용해서 반응 속도의 차이가 큰 반응 단계가 연속적으로 일어나는 화학 반응의 특성을 알아본다.
2. 기구&시약
시약 : 삼각 플라스크 50 mL, 100 mL, 피펫 5 mL, 10 mL, 20 mL, 눈금 실린더 10 mL, 온도계 (1~100 ℃), 스톱워치, 스포이드, 씻기병, 고무채우게
시약 : 0.20M KI, 0.10M (NH4)2S2O8, 0.005M Na2S2O3, 0.20M KCl, 0.10M (NH4)2SO4, 녹말 지시약
(시약조사는 따로 안함)
3. 원리
(1) 시계 반응 : 반응 속도 결정 단계가 포함된 메커니즘으로 일어나는 반응에서 정해진 양의 반응물이 모두 반응하고 난 뒤 색깔을 띠어서 반응에 소요된 시간을 알려주는 반응
(2) 대표적인 아이오딘 시계 반응
① NaHSO3와 KlO3의 반응
일정한 온도에서 NaHSO3 용액의 농도를 변화시키면서 일정 농도의 KlO3 용액과 반응시켰을 때(또는 그 반대도 가능), 생성된 아이오딘(I2)이 용액 속에 넣어둔 녹말과 반응하여 청자색이나 갈색이 나타나는 순간까지의 시간을 측정함으로써 반응 속도를 비교할 수 있다.
② KI와 (NH4)2S2O8의 반응 – 표준일반화학실험반응
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4. 유의사항
두 용액의 온도를 일정하게 한 후에 반응 속도를 측정한다.
피펫의 용액은 남아 있지 않도록 해야 하며 사용하던 시험관, 피펫 등을 바꿔 사용하지 않도록 한다.
소량을 희석할 경우 눈금 실린더를 사용하기보다는 피펫으로 필요한 만큼의 증류수를 첨가하는 것이 오차가 작다.
이 실험은 일정한 온도에서 해야 한다.
진한 청색이 나타날 때까지 걸리는 시간은 1분 이내이다.
녹말 지시약은 2 g의 수용성 녹말을 HgCl2(방부제) 5mg과 함께 물 1 L에 넣고 가열해서 녹말을 모두 녹인 후에 식혀서 사용한다.
(NH4)2S2O8 용액은 오래 방치하면 분해되므로 사용 직전에 만드는 것이 가장 좋다.
5. 실험 과정
반응 100mL 삼각 플라스크 50mL 삼각 플라스크 1 10.0mL 0.20M KI 10.0mL 0.10M (NH 4 ) 2 S 2 O 8 2 5.0mL 0.20M KI 10.0mL 0.10M (NH 4 ) 2 S 2 O 8 5.0mL 0.20M KCl
3 10.0mL 0.20M KI 5.0mL
5.0mL 0.10M (NH 4 ) 2 S 2 O 8
0.10M (NH 4 ) 2 SO 4 4 10.0mL 0.20M KI 2.5mL
7.5mL 0.10M (NH 4 ) 2 S 2 O 8
0.10M (NH 4 ) 2 SO 4 5 4.0mL
6.0mL 0.20M KI
0.20M KCl 10.0mL 0.10M (NH 4 ) 2 S 2 O 8 6 7.5mL
2.5mL 0.20M KI
0.20M KCl 7.5mL
2.5mL 0.10M (NH 4 ) 2 S 2 O 8
0.10M (NH 4 ) 2 SO 4
실험 결과를 얻기 위해서는 다음의 반응 혼합물 중에서 적어도 3가지 이상의 실험을 해야 한다. 피펫을 사용해서 100mL 삼각 플라스크와 50mL 삼각 플라스크에 용액을 정확하게 측정해서 넣는다. KI와 (NH4)2S2O8 용액의 부피는 피펫으로 정확하게 측정해야 하지만, KCl과 (NH4)2SO4용액은 눈금 실린더로 측정해도 된다. 100mL 플라스크에 온도계를 넣고, 초까지 읽을 수 있는 시계를 준비한다. 100mL 플라스크에 0.005M Na2S2O3 용액 5.00mL를 정확하게 측정해서 넣고, 녹말 지시약 몇 방울을 넣는다. 50mL에 담긴 용액을 손실이 없도록 조심해서 재빨리 100mL 플라스크에 붓고, 반응 시작 시간을 기록하거나 스톱워치를 작동시키고, 잘 흔들어준다. 용액이 진한 청색으로 바뀔 때까지 걸리는 시간을 측정해서 기록하고, 용액의 온도를 기록한다. 다른 혼합물을 넣기 전에 플라스크를 깨끗이 씻고 가능한 한 물기를 없애는 것이 좋다.
6. 실험 결과
반응 혼합물 변색까지 걸린 시간 (t) [ I – ] [S2O8^2- ] 상대 반응 속도 (100/t) 1 50S 0.20M * 10.0 / 15.0 = 0.133M 0.10M 2.00 s^-1 2 93S
0.20M * 5.0/15.0 = .
.667M 0.10M 1.08 s^-1 3 147S
0.20M * 10.0 / 15.0 = 0.133M 0.10M * 5.0/10.0 = 0.050M 1.47 s^-1
– 실험 결과 처리
반응 혼합물에서 처음에 넣어준 [I-]와 [S2O8^2- ]의 농도를 계산한다.
용액이 청색으로 변할 때까지 걸리는 시간은 용액에 넣어준 싸이오황산 이온이 모두 없어질 만큼의 I3-가 만들어질 때까지 걸리는 시간이다. 따라서 반응 속도는 측정한 시간의 역수에 비례하게 된다.
3 가지 이상의 실험 결과를
에 넣어주면 속도 상수 k와 반응 차수 m, n을 얻을 수 있다. 예를 들어서 1번의 속도를 2번의 속도로 나누어준 결과와 1번의 속도를 3번의 속도로 나누어준 결과를 이용하면 m과 n을 얻을 수 있고, 이 값을 이용하면 각각의 반응 혼합물에서의 속도 상수 k를 결정할 수 있다. 이 경우에 반응 차수는 정수가 되어야 한다. 가능하면 많은 종류의 반응 혼합물을 이용한 실험을 해서 m, n, k 값을 얻고, 속도 상수는 평균값을 기록한다.
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COMMENT)
유효숫자 두 자리로 맞추면 m과 n이 약 1에 가까이 나올 것 같습니다.
이상적인 실험결과를 맞추기 위해 반응차수를 정수로 표현했지만, 실제로 실험을 하다보면 정수로 나오지 않고 소수점까지 나오는데 이 소수점을 정수로 맞추지 말고 모두 표현해주는 것이 정확하다고 하니 참고바랍니다.
그리고 반응물의 농도를 계산할 때 많이들 하는 실수가 반응하고 나서의 농도를 구하려고 하는 점입니다. 이는 완전한 오개념입니다. 반응속도는 반응하기 전! 즉 반응물들의 농도에 의해 결정이 됩니다. 따라서 반응시키기 전 농도를 구해줘야함을 꼭 기억해야합니다. 이때 플라스크에 KCl과 (NH4)2SO4를 넣으면서 I-와 S2O8^2- 농도가 묽혀지게 됩니다. 그래서 묽힘 공식을 이용해 반응시키기 전 각각의 플라스크에 들어있는 농도를 구해주면 됩니다.
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참고문헌
표준일반화학실험, 대한화학회, 201~207p
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