촉매에 의한 반응속도의 변화

촉매에 의한 반응속도의 변화

 

실험목적

촉매에 의한 반응속도의 변화를 측정함으로써 촉매의 작용을 확인한다.

 

실험원리

반응이 일어나기 위해서는 반응물이 충분한 에너지를 가지고 있어야 한다. 그 이유는 한 가지 화합물에서 다른 화합물로 결합이 변할 때 에너지가 높은 상태 즉 불안정한 상태인 전이 상태를 거쳐야 하기 때문이다. 여기에서 반응물과 전이 상태의 에너지 차이를 활성화 에너지라고 부른다.

 

반응물들은 높은 에너지를 가지고 있는 것부터 낮은 에너지를 가지고 있는 것까지 다양한 상태로 존재하며 이러한 상태의 분포를 나타내는 것이 볼츠만 분포라고 불리는 식이다. 이렇게 다양한 상태에 있는 분자들 가운데 활성화 에너지보다 큰 에너지를 가지고 있는 분자는 반응이 일어날 수 있지만 낮은 에너지를 가지고 있는 분자는 활성

화 에너지의 벽을 넘지 못하게 되는 것이다. 만약 활성화 에너지가 높은 반응이라면 활성화 에너지보다 높은 에너지를 갖는 분자의 수가 극히 적기 때문에 반응속도가 매우 느려진다.

 

촉매는 활성화 에너지를 낮춰주는 역할을 한다. 활성화 에너지가 낮아지면 그보다 높은 에너지를 갖는 분자의 수가 늘어나기 때문에 반응속도가 빨라진다. 따라서 촉매가 없는 상태에서는 거의 일어나지 않는 반응도 촉매를 넣어주면 활발하게 일어나는 것을 볼 수 있다.

이 실험에서는 다음과 같이 과산화수소가 분해 되어 물과 산소 기체가 되는 분해 반응에서 촉매인 요오드화포타슘(KI)의 영향을 확인해 보도록 하자.

2H₂O₂(aq) → 2H₂O(l) + O₂(g)

보통 조건에서는 이 반응이 매우 느리게 일어난다. 그러나 요오드화소듐(Nal)이나 요오드화포타슘과 같은 촉매를 넣어주면 빠른 속도로 반응이 일어난다. 이 반응은 생성되는 산소 거품을 관찰함으로써 확인할 수 있다. 이 반응의 경우 과산화수소와 촉매인 요오드화포타슘은 모두 같은 수용액 상에 있기 때문에 균일촉매반응이라고 부른다. 이 균일촉매반응은 다음과 같이 두 단계로 일어나는 것으로 생각되고 있다. 이 두 단계를 합하면 전체반응과 같아진다.

1단계 : H₂O₂(aq) + I⁻(aq) → H₂O(l) + IO⁻(aq)

2단계 : H₂O₂(aq) + IO⁻(aq) → H₂O(l) + O₂(g) + I⁻(aq)

이 실험에서 반응속도는 색소로 착색된 거품의 발생속도로 측정할 수 있다. 촉매의 양을 변화시키며 넣러주고 반응속도에 어떤 변화가 나타나는지 확인해보자.

 

실험기구 및 시약

100mL 눈금실린더, 초시계, 중성세제, 과산화수소수, 요오드화포타슘(KI), 식용색소

 

 

실험방법

1. 100mL 눈금실린더에 과산화수소수 10mL를 넣는다.

2. 원하는 색소를 조금 넣는다. 눈금실린더 기벽에 조금 묻혀도 된다.

3. 중성세제를 5mL 정도 섞어준다.

4. 5분 정도 기다리며 거품의 발생정도를 확인한다.

5. 요오드화포타슘을 0.3g 넣고 거품이 넘칠 때까지의 시간을 측정한다.

6. 위 1~4번 과정을 반복하며, 요오드화포타슘을 1.5g 넣고 시간을 측정한다.

7. 또한, 요오드화포타슘을 3g 넣고 거품이 넘칠 때까지의 시간을 측정한다.

8. 중성세제의 양을 10mL로 하여 위의 실험을 반복한다.

 

 

실험결과 및 고찰

1. 반응속도의 측정

중성세제의 양(부촉매)	걸린시간(초)
	촉매 0.3g	촉매 1.5g	촉매 3g
5mL	9.41.66s	56.85s	27.81s
10mL	5.30.57s	1.00.10s	38.01s

2. 촉매의 양에 따라 위와 같이 반응속도가 달라지는 이유는 무엇인가?

촉매가 활성화에너지를 변화시키기 때문에

3. 촉매의 양을 많이 넣으면 반응속도는 제한이 없이 계속 증가할 수 있을까?

어느정도 증가하다가 일정해진다.

4. 균일 촉매와 불균일 촉매의 예들을 찾아보라.

액체반응에서 촉매가 액체이면 균일 촉매, 고체이면 불균일 촉매이다.

 

5. 촉매의 양이 일정할 때 반응물 중 한 성분의 양을 늘리면 반응속도는 어떻게 되는가?

반응속도가 느려진다.