안녕하세요.
제가 학부시절 1학년 2학기 동안 썼었던 보고서를 업로드 하고자합니다.
오늘의 실험 노트 주제는
[ 일반화학실험 : 촉매반응 A+ ] 입니다.
본 과목은 A+을 받았으며, 보고서 점수 또한 만점을 받았음을 말씀드립니다.
부디 이 글이 여러분이 보고서를 작성함에 있어서 좋은 참고 자료가 되었길 바랍니다.
감사합니다 ~
추가적으로, 저희 학교에서 사용한 교재는 대한화학회. 『(표준) 일반화학실험』 입니다!
제가 늘 작성하여 올리는 보고서들은 교재와 수업자료를 참고하여 작성한 것임을 알아주세요!
1. 실험 목표
: 과산화수소의 분해 반응을 빠르게 하는 다양한 촉매와 반응을 느리게 하는 억제제의 작용과 그 원리를 알아본다.
2. 실험 원리 및 개념
1) 실험 원리
: 반응물로부터 생성물을 얻는 것은 화학의 본질 중 하나이다. 열역학은 반응의 방향과 평형 상태를 알 수 있게 해준다. 그러나 현실적으로는 주어진 반응에 대한 열역학적 선호도 못지않게 반응 속도도 중요하다. 만일 반응이 너무 느리다면, 생성물을 거의 얻을 수 없으며 또 반대로 반응이 너무 빠르다면, 폭발 등으로 인해 시스템이 파괴될 수 있다. 반응의 속도를 조절하기 위한 방법에는 반응물과 생성물의 양을 조절하여 속도를 조절하거나, 촉매나 억제제를 사용함으로써 속도를 변화시키는 것이다. 우리가 실험에서 사용하는 과산화수소의 경우, △G°=-118 kJ/mol 인 자발적인 과정이자 대기압에서의 Ea=76kJ/mol인 상당히 느린 반응이지만, 촉매를 사용한다면 활성화 에너지를 낮출 수 있고 반응의 속도를 증가시킬 수 있다.
앞서 언급한 사실을 확인하기 위해서 본 실험에서는 총 3가지의 촉매를 사용하는데, 균일 촉매인 요오드화 이온(I-)과 불균일 촉매인 산화망간(IV)과 촉매 작용을 할 수 있는 생물 분자인 효소가 있다. 만일 균일 촉매인 요오드화 이온(I-)을 사용한다면, 아래의 식에서 보이는 것처럼 활성화 에너지를 Ea=76kJ/mol에서 Ea=57kJ/mol로 낮추어주어 물과 산소의 생성을 촉진할 것이다.
또한 검은색 고체인 산화망간(IV)도 불균형 촉매로 이용이 될 수 있는데, 반응이 고체/액체의 계면에서 일어나므로 과산화수소 분자가 꾸준히 계면으로 이동할 수 있도록 실험 기구를 이용하여 저어주어야 한다. 마지막으로 생물분자이자 촉매로 이용이 되는 효소는 카탈라아제를 사용하는데 카탈라아제는 매우 효율적인 효소이며 이의 구성 요소인 철(III)이온, 헴, 단백질 모두 촉매 작용을 도와준다. 그러나 이 세 가지 구성 요소 중 하나라도 방해를 받게 되면 촉매는 제대로 된 기능을 하지 못하게 될 것이다. 이러한 카탈라아제의 억제제 역할을 하는 물질이 바로 구리(II)이온이며, 구리(II)가 헴의 포켓에 결합되면 이 효소는 촉매로 작용하지 못하고 결국 반응은 느려지게 될 것이다. 우리는 앞서 말한 내용들을 전부 토대로 하여, 여러 종류의 촉매와 억제제를 사용하여 이들이 반응의 속도에 어떤 영향을 주는지 직접 실험을 통해 한번 알아 가보자.
2) 촉매(catalyst): 촉매는 반응에서 소비되지 않으면서 반응의 속도를 증가시키는 물질을 말한다. 촉매는 일반적으로 활성화 에너지를 낮추는 새로운 반응의 경로를 제공함으로써 반응의 속도를 증가시키는 역할을 한다. 촉매는 전체 반응의 화학반응 균형 식에서는 나타나지 않으며 반응의 속도는 증가시킨다. 이러한 촉매는 균일 촉매, 불균일 촉매, 촉매작용을 할 수 있는 생물 분자인 효소가 있다.
▶균일 촉매(homogeneous): 반응 물질과 같은 상태에서 촉매 작용을 할 때 균일 촉매라고 한다. 그러므로 용액 속에서 일어나는 균일 촉매는 그 용액에 완전히 녹는다. 대표적인 균일 촉매로는 요오드화 이온(I-)이 있다.
▶불균일 촉매(heterogeneous catalyst): 촉매가 반응 물질과 다른 상을 가지고 촉매 작용을 할 때 그것을 불균일 촉매라고 한다. 대표적인 불균일 촉매로는 산화망간(IV)가 있다.
3) 효소(enzyme)
: 생물체 내에서 각종 화학반응을 촉매하는 단백질. 세포 내외에서 특수한 촉매작용을 하지만 그 자체는 변하지 않고 영양발효·부패 등 생체가 영위하는 화학반응을 촉진한다. 따라서 생물체 내에서의 촉매를 특히 효소라고 부른다. 효소는 단백질이기 때문에 무기 촉매와는 달리 온도나 pH(수소이온 농도의 표시법) 등 환경 요인에 의해 그 기능이 크게 영향을 받으며, 대개의 효소는 온도 35~45℃ 정도에서 그 활성이 가장 높다. 이것은 온도가 올라가면 화학반응 속도가 일반적으로 커짐에 따라 효소의 촉매작용도 커지지만, 온도가 일정 범위를 넘으면 화학반응 속도는 커져도 단백질의 분자 구조가 변형을 일으키기 때문에 그 촉매 기능이 떨어지기 때문이다.
사진 출처 : 사이언스올
4) 억제제(inhibitor)
: 화학반응, 생리작용 등의 진행을 방해하는 물질을 말한다. 반응의 종류에 따라 산화 방지제, 부식 방지제, 중합 억제제, 부촉매, 촉매독, 대사 길항 물질 등이라 부른다. 고체 표면에 강하게 흡착하여 계면 반응을 억제하는 결과로써 반응을 억제하는 경우가 많으며, 도금에서는 산세액 등에 이용되고 수소 취성을 적게 한다. 우리 실험과 관련하여 예시를 들자면, 구리(II)이온의 경우 카탈라아제에 대하여 억제제로 작용을 한다. 구리(II)는 헴의 결합 자리를 두고 철과 경쟁을 하기 때문이다.
5)반응 속도(reaction rate)
: 한 과정의 속도(speed 또는 rate)는 특정한 시간 동안 주어진 물질의 양의 변화로 정의된다. 화학 반응에서 변화하는 것은 반응물이나 생성물의 양 또는 농도이다. 그러므로 화학 반응의 반응 속도는 단위 시간 당 반응물 또는 생성물의 농도 변화로 정의 된다. 만일 우리가 역반응을 무시할 수 있는 조건에서 실험을 진행했다면, 반응 속도는 단지 반응물의 농도에만 의존하게 된다.
여기서 A는 반응물 또는 생성물이며, 대괄호는 몰농도를 의미하고, 그 단위는 mol/L이다. 일반적으로 기호 △는 주어진 양(quantity)의 변화(change)를 나타낸다. 변화는 양(positive)의 값(증가) 또는 음의 값(감소)을 가질 수 있으므로, 반응 속도는 위의 정의에 의해 양의 반응 속도 또는 음의 반응 속도가 있을 수 있다. 그러나 편의상 반응 속도는 항상 양의 값으로 정의 된다.
6) 활성화 에너지(activation energy)
: 활성화 에너지란 어떤 반응이 일어나는 데 필요한 최저 에너지를 말한다. 화합물이 반응하기 위해선 물질의 분자들이, 충분한 에너지준위(전자가 갖는 에너지 값)를 가지고 있어야 한다. 여기서 반응물질이 활성화 에너지를 얻게 된 것을 활성화 상태(activated state)라 하고, 에너지가 유입된 반응물들은 자유에너지를 방출하며 에너지함유량을 스스로 낮춘다. 활성화 에너지는 촉매가 없을 때보다 있을 때 더 작아지게 된다. 그 이유는 촉매나 효소가 반응물질과 먼저 결합함으로써 반응의 활성화 에너지가 작아지기 때문이다. 온도가 낮을 때는 반응속도가 느려지고, 반대로 높아지면 활성화 에너지 값 이상의 분자가 늘어나 반응속도가 두 배 가량 빨라진다. 활성화 에너지는 주로 Ea로 표시되며, 일반적으로 줄(J) 및/또는 몰당 킬로줄(kJ/mol) 또는 몰당 킬로칼로리(kcal/mol)로 측정된다.
7) 전이 상태(transition state)
: 반응이 일어나는 경로 중에 최고의 에너지를 가지는 화학종을 전이 상태라고 부르는데, 이러한 상태는 생성 후 대략 10^-15초 정도의 짧은 시간에 사라진다. 모든 전이 상태에 있는 화학종이 생성물로 변하는 것이 아니라 일부분은 반응물로 다시 돌아가며 이러한 변화는 매우 빠르게 나타난다. 이에 대한 예시는 수소-산소 결합이 다른 분자의 수소와 새로운 산소-수소 결합을 이루며 깨지는 과산화수소 분해반응 그래프를 통해서도 확인 가능하다.
8) 반응 메커니즘(reaction mechanism)
: 어떤 화학 반응을 진행해 반응물에서 생성물을 만들 때 이 반응은 한 번에 생성물로 가는 것이 아니라 여러 개의 작은 반응단계를 거쳐 진행이 된다. 이때 반응이 진행할 때마다 각각 거치는 단계를 반응 메커니즘이라고 한다. 그리고 각각의 반응단계에 따라 중간마다 생성되는 물질을 반응 중간체라고 한다. 따라서 어떤 반응의 메커니즘을 보면 그 생성물의 중간 상태와 어떻게 결합이 생성되고 개열되는지도 알 수 있으며 반응을 조절하거나 통제를 할 수 있다. 오존의 분해 반응을 예로 들자면, 오존의 분해 반응은 다음의 두 단계를 거쳐 일어난다.
첫 번째 단계에서는 오존이 분해되어 산소 원자가 생기고 두 번째 단계에서는 이 산소가 다시 오존을 분해시키는 역할을 한다. 오존이 분해되는 메커니즘에서 ① 단계의 반응 속도는 ② 단계에 비하여 느리게 일어난다. 따라서 오존이 분해되는 전체 반응은 ① 단계의 속도에 의하여 결정된다. 이와 같이 반응 속도를 결정하는 단계를 반응 속도 결정 단계라고 한다. 이처럼 반응 메커니즘을 알아내면 반응 속도에 가장 영향을 주는 단계를 알 수 있다.
3. 실험에 사용된 시약
2) 실험에 이용되는 시약
① 3% H2O2(hydrogen peroxide)
▶피해야 할 조건 및 물질: 열·스파크·화염·고열로부터 멀리해야하며, 가연성 물질(나무, 종이, 기름, 의류 등)이나 물, 연료를 피하도록 한다.
▶주의사항: 화재 또는 폭발을 일으킬 수 있고, 삼키면 유해하며 눈에 심한 손상과 피부에 화상을 일으킬 수 있다.
사진출처 : 화학물질구조사전
② 0.1 M KI(potassium iodide)
▶피해야 할 조건 및 물질: 열, 스파크, 화염 등 점화원을 피해야하며 가연성 물질, 환원성 물질을 피하도록 한다.
▶주의사항: 눈에 심한 자극을 일으키며 장기간 노출 되며 인체 내 장기에 손상을 일으킬 수 있다. 생식능력에 손상을 일으킬 수 있다.
사진출처: 화학대사전
③ MnO2 0.5g(manganese dioxide)
▶피해야 할 조건 및 물질: 열, 스파크, 화염 등 점화원을 피하도록 하고, 가연성 물질, 환원성 물질을 조심한다.
▶주의사항: 삼키거나 흡입하면 위험하며, 반복노출을 삼가도록 한다.
④ 0.1 M CuCl2(copper(II) chloride)
▶피해야 할 조건 및 물질: 열을 피해야하며, 가연성 물질, 금속, 환원성 물질을 피하도록 한다.
▶주의사항: 삼키면 유해하며, 피부에 자극을 일으킨다. 눈에 심한 손상을 일으킬 수 있다.
⑤ 비눗물(soapy water): 고급 지방산의 염을 총칭하여 비누라 한다. 공업적으로는 동식물 유지를 비누화하여 만든다. 보통 비누라고 하는 것은 나트륨염이지만 칼륨 기타의 금속염도 특수한 용도의 비누로 알려져 있다. 화학의 명칭으로 사용하는 경우는 비누라 표기하며, 고급 지방산 나트륨염을 주성분으로 하고, 향료·착색료 등을 가하여 제조되는 공업제품을 지칭할 때도 비누라 한다. 비누는 계면 활성제로 사용되며 계면화학 연구의 대상이 되는 것은 비누분자의 거동이다. 실험에서 사용하는 비눗물의 경우에는 과산화수소가 분해되어 산소가 발생하는 과정에서 산소기체의 부피를 시각적으로 판단할 수 있도록 사용한다. 산소기체가 발생함에 따라 비누 거품 또한 뷰렛의 눈금을 타고 올라올 것이다.
⑥ 채소 추출물 혹은 감자 한 두 조각 (채소 추출물은 채소 혹은 감자 껍질을 벗기고 얇게 TJs 다음 블랜더에 넣고 약 35 ml의 물을 넣고 약 10분 정도 간다. 얇은 헝겊을 대고 거르면 카탈라아제 용액을 얻게 된다.) : 카탈라아제는 철-헴을 가진 효소로 햄은 가운데에 금속 이온과 결합할 수 있는 포켓을 가진 거대 고리 모양 분자이다. 카탈라아제는 4개의 부분으로 이루어진 테트라머이고 분자량은 250,000g/mol이다. 각각의 테트라머 단위는 단백질로 둘러싸인 헴에 결합된 철(III)이온으로 이루어진 하나의 활성 자리를 가지고 있다. 이 활성 자리에 과산화수소가 결합하여 물과 산소로 분해된다<span style="background-color: #ffffff; color: #
4. 실험 시 주의 사항
1) 과산화수소수는 위험하므로 손에 닿지 않도록 주의한다. 특히 튀지 않도록 주의한다.
2) 촉매 반응의 경우 기체 발생 속도가 빠르므로 측정에 유의한다. 측정이 어렵거나 오차를 줄이려면 과산화수소를 더 묽히거나, 기체의 부피를 30~40 ml까지 더 많은 양이 발생하는 시간을 측정한다.
3) 기체의 부피는 아래의 그림과 같이 뷰렛과 비눗방울을 사용하여 만든 장치를 이용하여 측정한다. 발생된 기체는 고무호스를 따라 뷰렛으로 이동하며, 반응이 진행되어 기체가 발생함에 따라 비누막이 위로 올라가게 된다.
5. 실험 과정(실험실 온도: 25 ℃, 기압: 1 atm)
▶실험에서 사용 된 실제 실험 기구: 삼각플라스크, 비커, 눈금 플라스크, 가열판, 고무호스, 분액깔때기, 뷰렛, 마그네틱 바, 스포이트
실험은 총 5번을 진행하는데, 첫 번째로 과산화수소 25 ml를 눈금 플라스크를 이용하여 부피를 재준다. 그 뒤에 우리는 용액의 부피를 총 30 ml로 맞춰주어야 하므로 증류수 5ml 또한 눈금 실린더를 이용하여 부피를 재준 뒤 준비된 삼각 플라스크에 넣어주었다. 그리고 물통에 수돗물을 3분의 1 정도 넣은 뒤 증류수가 담긴 플라스크를 넣어 잠기게 했다. ※메니스커스 보정 필수!
그 다음 과산화수소로부터 발생하는 산소기체 부피를 측정하기 위한 세팅을 하는데, 증류수가 담긴 물통을 가열판 위에 올려놓고 전원을 킨 뒤 플라스크가 들어있는 물통을 위에 올려주었다. 그리고 마그네틱 바를 넣은 뒤 마그네틱 바가 돌아갈 수 있도록 스위치를 조절하고, 앞서 준비한 과산화수소 25 ml를 넣었다. ( 용액의 총 부피를 30ml로 만들어 주기!) 그 후에 바로 고무마개로 플라스크 입구를 세게 막았다. 산소 기체가 발생함에 따라 감소하는 뷰렛의 눈금을 따라 분액깔때기를 똑같이 내려주면서 압력을 맞춰주고, 기체가 2ml 발생할 때까지 시간을 쟀다.
두 번째로는 과산화수소의 분해를 촉진시키는 촉매인 0.1 M KI 용액 5ml를 눈금플라스크를 이용하여 부피를 잰 뒤 삼각 플라스크에 넣어주었다. 그리고 첫 번째 실험과 동일하게 물이 담긴 물통에 KI용액이 담긴 플라스크를 넣어 잠기게 하였다. ※KI 용액 5ml를 넣어줌으로써 총 부피를 30ml로 맞춰줄 수 있으므로 증류수는 별도로 첨가하지 않음 마지막으로 마그네틱 바를 넣어서 마그네틱바가 돌아갈 수 있도록 하였다.
과산화수소 25ml를 준비하여 KI 용액이 들어간 플라스크에 넣고 바로 고무마개로 입구를 막았다. 그리고 산소기체 20ml가 생성될 때까지 분액깔때기를 움직이며 압력을 맞춰주었고 시간을 측정하였다.
세 번째로는 과산화수소 촉매로 작용하는 이산화망간 0.01g을 약포지에서 꺼내어 플라스크에 담아주었고, 이산화망간의 경우 가루형태로 되어있어 전제 부피를 30ml로 맞춰줄 수 없으므로 증류수 5ml를 눈금실린더로 부피를 재어 플라스크에 넣어주었다. 그리고 전 실험과 마찬가지로 물통에 넣어 잠기게 하였다. 그리고 또 다시 과산화수소 25ml를 추가로 넣어 고무마개로 막은 뒤 산소기체 20ml가 생성될 때까지 분액깔때기를 움직여주며 시간을 쟀다.
네 번째와 다섯 번째 실험을 진행하였는데, 네 번째의 경우 과산화수소 분해 촉매로 쓰이는 효소인 카탈라아제를 이용하여, 반응이 일어남에 따라 산소기체가 20ml 발생할 때까지 시간을 측정하였고, 다섯 번째로는 카탈라아제를 또 사용하긴 하였으나, 억제제로 작용하는 CuCl2용액 10방울을 넣어서 산소기체가 20ml 발생하는 시간을 측정하였다. 네 번째와 다섯 번째 실험의 경우 서로 비교를 하기 위하여 하나에는 억제제를 넣고 다른 하나에는 억제제를 넣었다.
6. 실험 결과 예상
-아무런 촉매를 넣지 않고, 증류수만 넣은 과산화수소의 경우, 반응은 일어나지만 속도가 매우 느려서 기체 20.0ml를 생성하는 시간이 1000s 이상 정도로 매우 느릴 것이다. 그리고 반응 속도 값 또한 작을 것이다.
-과산화수소가 들어있는 플라스크에 요오드화 이온, 이산화망간, 카탈라아제, 구리이온을 포함한 카탈라아제 총 4개를 넣었을 때 기체의 생성 속도는 이산화망간>카탈라아제>요오드화이온>구리이온을 포함한 카탈라아제>순수한 과산화수소 순으로 빠를 것이라 생각한다. 그 이유는 이산화망간의 경우 무기촉매이기에 과산화수소와 만나면 분해가 잘 이루어질 것이라 생각하고, 카탈라아제는 매유 효율적이고 강력한 유기촉매이지만, 온도의 영향을 받아 변성될 수 있다. 그리고 요오드화이온의 경우 활성화 에너지를 낮춰주는 정도가 카탈라아제보다 낮을 것이라 생각하므로 위와 같은 순서가 될 것이라 생각한다.
-카탈라아제의 경우 철(III)이온, 헴, 단백질을 구성요소로 가지며, 이들 중 하나라도 방해를 받으면 제대로 된 촉매작용을 일으킬 수 없다. 그런데 구리(II)이온을 혼합한 촉매를 과산화수소 분해에 이용한다면, 구리(II)이온이 카탈라아제의 헴의 포켓에 결합되면서 촉매 작용을 잘 일으키지 못할 것이다. 이렇게 된다면 반응물이 전이 상태에 도달하는 시간이 길어지면서 산소기체가 발생하는 시간도 늦어질 것이며 구하고자하는 반응 속도의 값도 낮아질 것이다.
-과산화수소가 분해됨에 따라 산소와 물이 생성되면서 고무벌브에 있는 비누막을 통해 거품이 다량 만들어질 것이다. 이러한 상황에서 부피를 알아내기 위해 눈금을 읽는 것은 눈높이의 위치 혹은 개인의 주관적 판단으로 인하여 매우 정확한 값을 읽어내기는 어려울 것이다. 그리고 이것은 곧 실험의 오차를 불러일으킬 것이다.
-단위 시간당 발생되는 기체의 부피를 이상기체법칙을 사용하여 산소의 몰수로 전환하는데, 이때 실험에서 발생한 산소기체의 경우 사실상 이상기체가 아니며, 분자끼리의 인력 및 반발력과 같은 상호작용이 분명히 존재하는 실제 기체이다. 즉, 이상기체법칙을 이용해서 부피로부터 몰수를 구하는 건 정확하지 않으며 정확한 반응 속도도 구해낼 수 없을 것이다.
-순수한 과산화수소의 경우 촉매를 넣지 않았기에 산소기체 발생이 매우 느리다. 그러므로 2ml의 기체가 생성된 시간에 10배를 한다고 했는데, 이 측정값은 정확하지 않을 것이며 실험 결과에 오차를 불러올 것이다.
7. 실험 결과 및 해석
e) 본문에 주어진 메커니즘에 따라 속도식을 유도하고, 실험에서 얻어진 속도와 비교한다.
(속도식 밖에 유도가 되지 않았습니다. 죄송합니다.)
<결과 해석>
8. 결론
: 촉매 반응 실험은 과산화수소의 분해 반응을 빠르게 하는 다양한 촉매와 반응을 느리게 하는 억제제의 작용과 그 원리를 알아보기 위함으로서 실험의 과정들은 다음과 같다. 우선 실제 실험에서는 삼각 플라스크, 비커, 눈금 플라스크, 가열판, 고무호스, 분액깔때기, 뷰렛, 마그네틱 바가 , 스포이트가 사용이 되었다. 실험은 총 5번을 진행했는데 첫 번째로는 과산화수소 25ml와 증류수 5ml를 삼각 플라스크에 넣어서 부피를 총 30ml로 만들었다. 그리고 플라스크 내에 마그네틱바를 넣은 뒤 물이 들어있는 물통으로 옮겨서 플라스크가 잠길 수 있게 하였다. 그리고 가열판 위로 옮겨서 마그네틱 바가 돌아가게 한 뒤 일정한 압력과 온도를 맞춰주었고, 과산화수소가 분해됨에 따라서 발생하는 산소기체 20ml의 생성 시간(s)을 타이머를 이용해서 측정했다. 근데 순수한 과산화수소의 경우 생성 속도가 매우 느리므로 2ml까지만 생성 시간(s)을 측정해서 책에 기록했다. 그 값은 650.0s였다. 그 다음 두 번째로는 과산화수소 25ml와 이의 촉매로 작용하는 KI 수용액 5ml를 플라스크에 넣은 뒤 첫 번째 실험했던 과정 그대로 진행하였다. 이때는 2ml만 재는 것이 아닌 20ml 전체가 생성되는 시간(s)을 측정해서 기록했는데 그 값은 181.79s로 매우 빨랐다. 세 번째로는 과산화수소 25ml와 이산화망간 0.01g, 마지막으로 증류수 5ml를 플라스크에 넣은 뒤 또 다시 일정한 압력 및 온도를 유지해주며 20 ml 산소기체 발생 시간(s)을 측정했고 그 값은 60.43s로 KI보다 훨씬 빨랐다. 마지막으로는 (1)과산화수소 25ml와 그냥 감자즙 5ml를 넣어 섞은 것과 (2)그냥 감자즙 5ml와 감자즙 내에 들어있는 카탈라아제의 억제제로 작용하는 CuCl2 용액 10방울을 넣어준 것을 비교 실험을 위해 준비한 뒤 산소기체가 20ml 생성되는 시간(s)을 측정했다. 억제제가 들어가지 않은 (1)의 경우, 119.77s이었으며, 억제제가 들어간 (2)의 경우에는 10680.6s로 매우 길었다. 앞서 구한 시간(s)들을 이용하여 25 ℃, 1기압에서 물의 증기압은 24torr라고 할 때, 초당 몇 ml의 산소가 발생하는지를 확인했는데(과산화수소+KI기준) 0.110ml/s이었다. 그리고 초당 몇 몰의 산소가 발생하는지를 5개의 실험군 모두 구했는데 (1)순수한 과산화수소의 경우 1.22X10^-6mol/s이고, (2)과산화수소+KI는 4.36X10^-6mol/s, (3)과산화수소+이산화망간은 1.31X10^-5mol/s이다. 그리고 (4)과산화수소+감자즙은 6.61X10^-6mol/s, (5)과산화수소+감자즙+CuCl2(억제제)는 7.42X10^-8mol/s이 나왔다. 그리고 또 5개의 실험군의 산소생성속도(d[O2]/dt)를 구했는데, (1)순수한 과산화수소는 6.09X10^-5M/s, (2)과산화수소+KI는 2.18X10^-4M/s, (3)과산화수소+이산화망간은 6.55X10^-4M/s이 나왔으며, 마지막으로 (4)과산화수소+감자즙은 3.31X10^-4M/s, (5)과산화수소+감자즙+억제제(CuCl2)는 3.71X10^-6M/s가 나왔다. 그리고 이 값들을 두배해서 과산화수소 분해속도(d[H2O2]/dt) 또한 구할 수 있었는데 순서대로 적어보자면, 각각 (1)1.22X10^-4M/s, (2)4.36X10^-4M/s, (3)1.31X10^-3M/s, (4)6.62X10^-4M/s, (5)7.42X10^-6M/s 이었다. 실험결과를 보았을 때 확실히 그냥 순수한 과산화수소를 분해시켰을 때보다 촉매를 넣었을 때가 반응속도가 빨랐고, 억제제를 넣은 경우에는 순수한 과산화수소의 분해속도보다 많이 느린 것을 확인하면서 억제제가 반응에 어떤 영향을 미치는지를 실제로 확인할 수 있었다. 근데 실험 방법의 미숙함 혹은 정확하지 않은 계산 방법, 메니스커스 보정 오류로 인해 우리가 구한 실험값들은 다소 부정확할 것이라 본다.
9. 토의
: 5개의 실험을 진행함으로써 각각의 반응 속도를 구하였는데, 반응 속도의 순서는 이산화망간(MnO2) > 감자즙(카탈라아제) > KI > 순수한 과산화수소(H2O2) > 감자즙+CuCl2이었다. 그러나 이러한 순서는 다소 부정확할 수 있다고 생각하며, 이 외에도 각각의 반응 속도가 원래 나와야할 반응 속도보다 더 크거나 낮았을 것이라 생각한다. 그 이유는 실험을 진행하는 과정 속에서 찾을 수 있다. 첫 번째로는 순수한 과산화수소만으로 실험을 진행할 때 과산화수소 25ml와 증류수 5ml를 넣었어야했는데 과산화수소 25ml만 넣고 바로 실험을 진행해서 다시 플라스크를 헹궈야했었다. 이때 실험기구에 들어있는 물기나, 불순물이 실험과정의 정확성을 떨어뜨렸으리라 생각한다. 그리고 실험을 하면서 분액깔때기를 뷰렛의 눈금에 따라 움직이며 일정한 압력을 계속 맞춰줘야 했다. 그러나 분액깔때기가 더 아래로 내려가거나, 분액깔때기가 뷰렛을 따라 제때 내리지 않아서 산소기체 반응 시간(s)을 측정하는 것이 길어졌다. 두 번째로는 카탈라아제 5ml를 넣는 과정이 부정확했다고 생각한다. 그 이유는 카탈라아제가 담긴 용기가 똑같은 실험을 하는 다른 친구들이 여러 번 사용한 탓에 거품이 많이 쌓여있었고, 그로인해 눈금실린더의 메니스커스 보정 과정이 매우 어려웠다. 눈금실린더의 경우 부정확도가 높은 실험기구이므로 더 정교하게 부피 보정을 했어야했는데, 거품과 스포이트 조절의 실패로 인해 부정확도가 더 상승하였다. 이는 용액의 부피를 총 30ml로 맞춰주는데 있어서 오차를 일으켰으리라 생각한다. 그리고 마지막에 억제제를 넣은 카탈라아제를 사용하여 과산화수소 분해 반응을 일으킬 때 발생하는 산소기체의 시간(s)이 매우 느렸다. 처음에는 단지 억제제(CuCl2)를 사용해서 그런걸까 생각했지만, 마지막 실험을 진행하기까지 과산화수소가 들어있는 용기의 뚜껑을 열었다 닫았다 반복했기에, 과산화수소가 모두 산소로 분해되어서 반응이 현저히 느려진 것이라는 생각이 든다. 이런 점을 보완하기 위해서는 과산화수소가 들어있는 용기를 실험마다 각각 준비해서 사용하는 것이 실험의 정확도를 좀 더 높일 수 있으리라 생각한다. 그치만 이러한 오차만 생각한 것이 아니었다. 그냥 카탈라아제만 사용했을 때에는 산소기체 발생 속도(s)가 매우 빨랐는데 소량의 억제제를 넣었을 때 확연히 속도가 줄어든 것을 보고 억제제가 반응속도에 얼마나 큰 영향을 미치는지를 알아갈 수 있었다. 그리고 우리가 첫 번째 실험에서 순수한 과산화수소의 경우 촉매를 사용하지 않았기에 분해속도가 매우 느리므로 2ml만 측정하여 10배를 했는데 이 값을 대략적인 값이므로 절대 정확하지 않으며, 또 실제기체인 산소기체의 부피를 이상기체방정식을 이용하여 몰수로 변환한 것 또한 오차의 원인이 될 것이라 생각한다.
9. 참고 문헌
>Steven S. Zumdahl. 『줌달의 일반화학』. 화학교재연구회(역). 사이플러스, 2019, pp. 581~582
>대한화학회. 『(표준) 일반화학실험』. 천문각, 2011, pp 191~199
>화학물질정보, “CAS No :7722-84-1”, https://msds.kosha.or.kr/MSDSInfo/kcic/msdsdetail.do (2022.09.19.)
>화학물질정보, “CAS No :7681-11-0”, https://msds.kosha.or.kr/MSDSInfo/kcic/msdsdetail.do (2022.09.19.)
>화학물질정보, “CAS No :1313-13-9 ”, https://msds.kosha.or.kr/MSDSInfo/kcic/msdsdetail.do (2022.09.20.)
>byjus, “Manganese dioxide”, https://byjus.com/chemistry/manganese-dioxide/ (2022.09.20.)
>화학물질정보, “CAS No :7447-39-4 ”, https://msds.kosha.or.kr/MSDSInfo/kcic/msdsdetail.do (2022.09.20.
>byjus, “Copper(II) Chloride Formula”, https://byjus.com/copper-ii-chloride-formula/ (2022.09.20.)
>T자관. (n.d). 화학대사전. https://terms.naver.com/entry.naver?docId=2316247&cid=60227&categoryId=60227
>사이언스올, “삼각 플라스크”, https://www.scienceall.com/%EC%82%BC%EA%B0%81-%ED%94%8C%EB%9D%BC%EC%8A%A4%ED%81%AC-erlenmeyer-flask-%E4%B8%89%E8%A7%92%E2%94%80/ (2022.09.24.)
>사이언스올, “고무관”, https://www.scienceall.com/%ea%b3%a0%eb%ac%b4%ea%b4%80rubber-tube-%e7%ae%a1-2/?term_slug= (2022.09.24.)
>사이언스올, “카탈라아제” https://www.scienceall.com/%EC%B9%B4%ED%83%88%EB%9D%BC%EC%95%84%EC%A0%9Ccatalase/ (2022.09.26.)
>의약품안전나라, “카탈라아제”, https://nedrug.mfds.go.kr/pbp/CCBDG01/getItem?searchCountry=%EC%A0%84%EC%B2%B4&sortOrder=false&ingrCode=419 (2022.09.26.)
>사이언스올, “활성화 에너지”, https://www.scienceall.com/%ED%99%9C%EC%84%B1%ED%99%94-%EC%97%90%EB%84%88%EC%A7%80activation-energy-2/ (2022.09.26.)
>byjus, “activation-energy”, https://byjus.com/jee/activation-energy/ (2022.09.26.)
>사이언스올, “균일촉매”, https://www.scienceall.com/%EA%B7%A0%EC%9D%BC-%EC%B4%89%EB%A7%A4homogeneous-catalyst/ (2022.09.26.)
>대한화학회. 『(표준) 일반화학실험』. 천문각, 2011, 208p~215p.
>Steven S. Zumdahl. 『줌달의 일반화학 10판』. 화학교재연구회(역). Cengage Learning Korea, 2019, 613p.
>사이언스올, “효소”, https://www.scienceall.com/%ED%9A%A8%EC%86%8Cenzyme/ (2022.09.26.)
>억제제. (n.d). 도금기술 용어사전 . https://terms.naver.com/entry.naver?docId=654273&cid=42326&categoryId=42326 .
>반응메커니즘. (n.d). Basic 고교생을 위한 화학 용어사전. https://terms.naver.com/entry.naver?docId=945064&cid=47337&categoryId=47337
>사이언스올, “반응메커니즘”, https://www.scienceall.com/%EB%B0%98%EC%9D%91-%EB%A9%94%EC%BB%A4%EB%8B%88%EC%A6%98reaction-mechanism/ (2022.09.27.)
>비누. (n.d). 화학용어사전. https://terms.naver.com/entry.naver?docId=606137&cid=42420&categoryId=42420
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