산소의 제법과 성질

◎ 실험제목: 산소의 제법과 성질

 

◎ 실험목적

1) 이산화망간을 촉매로 염소산칼륨을 열분해 시켜 산소를 얻는다.

2) 산소의 화학적인 성질을 확인한다.

 

◎ 실험원리

- 실험에서 산소를 만드는 가장 보편적인 방법은 염소산칼륨을 분해시키는 것으로서 이 반응은 다음과 같은 반응식으로 표시된다.

 

2KClO3(s) → 2KCl(s) + 3O2(g)

 

이 반응은 이산화망간과 같은 촉매에 의해서 매우 빠르게 진행된다.

촉매란 반응의 속도는 변화시키지만 자기 자신은 변하지 않고 반응 후에 회수될 수 있는 물질이다.

발생되는 산소는 일반적으로 물과 치환시키는 수상포집법으로 받아 모을 수 있다.

이 실험에서는 비금속 원소인 유황(S)과 금속 원소인 마그네슘(Mg)을 자신이 만든 산소 중에서 연소시켜 그 산화물의 성질과 산화물이 물과 작용하여서 띠는 액성을 관찰하고자 한다.

 

◎ 실험기구 및 시약

- 솜(cotton), 시험관(test tube), 도가니(crucible), 집기병(pneumatic bottle), 수조(water container), 핀셋(pincette), 리트머스 시험지(litmus paper), 연소숟가락

- 염소산칼슘(KClO3), 황가루(S), 마그네슘(Mg)리본, 이산화망간(MnO2), 산화수은(Ⅱ)(HgO), 산화바륨(BaO2), 질산나트륨(NaNO3)

 

◎ 실험방법 및 결과

1) 산소의 제법

① 건조된 시험관에 약 0.1g의 KClO3을 넣고 시험관의 입구는 약간 아래로 기울게 장치하고 조심스럽게 가열하다가 점점 강하게 가열한다. 화합물이 분해되려면 융점 이상의 온도가 되어야 할 것이다.

시험관의 입구에 성냥개비의 불꽃을 끈 후에 불똥이 없어지기 전의 상태로 핀셋으로 집어넣어 보아라. 어떤 변화가 일어나는가?

- 불꽃이 살아나 성냥이 다시 타기 시작한다.

② 약 1g의 KClO3과 약 0.5g의 MnO2을 잘 혼합하여 시험관에 넣고 가열하고 앞의 실험에서 KClO3만을 가열했을 때와 비교하여라.

- 이산화망간(MnO2)를 혼합 하였을 때가 빠른 반응을 보였다.

 

③ 시험관의 입구는 약간 아래로 기울게 한 장치를 꾸미고 공기가 새는지 확인하여라. 이 때 시험관 입구를 약간 아래로 기울이는 이유는 무엇이라 생각되는가?

- 기울이지 않으면 약품의 반응에서 발생하는 물이 약품에 뭍기도 하고, 반응에서 발생하는 산소가 시험관 밖으로 빠져나가는 것을 방지하기 위해서.

 

이 실험에 사용할 반응 물질 KClO3의 양을 필요로 하는 산소의 양에 따라 계산하여 편리한대로 임의로 취하고 촉매로 사용할 MnO2은 KClO3의 약 1/3 정도로 취하여라.

․ 사용한 KClO3의 양: 10g

․ 사용한 MnO2의 양: 3g

 

④ 반응 물질을 천천히 가열해서 산소가 발생하기 시작하면 집기병에 물을 채워 수조에 거꾸로 세우고 유도관을 집기병 속에 넣어라. 이 때 집기병 속에 공기가 들어가면 안 된다.

집기병에 기체가 채워지면 집기병을 유리판으로 막은 다음 꺼낸다.

3개의 집기병에 산소가 채워지면 유도관을 물에서 꺼내고 열원을 제거한다.

 

(2) 산소의 성질 확인

① 약 10cm의 Mg리본을 핀셋으로 집어서 불을 붙인 다음 산소가 있는 집기병 속에 넣고 가능하면 입구를 유리판으로 완전히 덮고 그 안에서 일어나는 변화를 관찰하여라.

- 밝은 빛을 내며 연소한다.

② 연소가 끝나면 핀셋에 붙은 연소 생성물을 집기병 바닥에 떨어뜨리고 집기병에 5~10mL의 물을 넣어 녹인 후 리트머스 시험지로 액성을 조사하여라.

- 리트머스 시험지가 진한 초록색으로 변한 것을 보아 약 염기성이라는 것을 알 수 있다.

 

③ 같은 방법으로 연소숟가락에 소량의 황을 담고 불을 붙인 뒤 잠시 후에 산소가 들어있는 다른 집기병에 넣고 덮은 후 병 안을 관찰한다.

병 밖에서 탈 때와 어떻게 다른가?

- 병 밖보다는 병 안쪽에서 탈 때가 훨씬 더 잘 탔다.

 

④ 연소가 끝나면 같은 방법으로 액성을 조사하여라.

- 리트머스 시험지가 주황색으로 변한 것을 모아 산성이라는 것을 알 수 있다.

 

⑤ 약간의 솜을 핀셋으로 집어 불을 붙인 뒤 바로 끄고 산소가 들어있는 집기병 안에 넣어 보아라.

- 솜에 다시 불이 붙는다.

 

◎ 실험결과

1) 금속이나 비금속 산화물은 물과 반응하여 서로 다른 액성을 띤다. 각 산화물의 보기를 들고 물과 반응한 후의 액성을 말하여라.

 

보기 액성

금속 산화물 : Mg 약염기성

비금속 산화물 : S 산성

 

2) 촉매의 종류와 촉매가 미치는 영향을 써라.

- 정촉매 : 활성화 에너지를 낮춰 주어서 반응속도를 빠르게 해주는 촉매이다.

- 역촉매 : 활성화 에너지를 높여 주어서 반응속도를 느리게 해주는 촉매이다.

 

3) KClO3 1g을 완전히 분해시키면 표준 상태에서 몇 cc의 산소가 발생하는가?

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4) 약 1L의 산소를 발생시키는 데 필요한 KClO3의 양을 계산하여라.

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5) 가스 포집 방법을 설명하여라.

- 상방포집 : 기체가 공기보다 가벼울때 사용하는 방법

- 하방포집 : 기체가 공기보다 무거울때 사용하는 방법

- 수상포집 : 기체가 물에 녹지 않을때 쓰는 방법 (다른 기체와 섞일 염려가 없다.)