[일반화학실험] 식용색소와 표백제의 반응 실험 결과보고서

소개글

[일반화학실험] 식용색소와 표백제의 반응 실험 결과보고서에 대한 보고서 자료입니다.

목차

실험 데이터 및 처리
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Part I: 색소 용액의 흡수 스펙트럼

1. 색소 용액의 흡수 스펙트럼을 λ = 400 ~ 800 nm 범위에서 그린다. 색소 용액의 흡수 스펙트럼에서 λmax와 λmax에서의 흡광도, A는 얼마인가?

(스펙트럼 첨부)

λmax: nm A =




2. 묽힌 색소 용액:

원래 색소 용액: __________________ mL -> 20 mL로 묽힘

묽힌 후 λmax에서 예상되는 A = ___________________

묽힌 후 λmax에서 실제로 얻은 A = __________________


- 계산 과정




(스펙트럼 첨부)




Part II: 반응속도

1. 시료 No. 1에 대하여 시간에 따라 얻은 흡광도로부터 색소 용액의 농도, [dye]를 구한다. 그리고 ln[dye]와 1/[dye]를 계산하라. 이때 큐벳의 경로길이(path length)는 1.00 cm 이고, λmax에서 몰흡광계수(molar absorption coefficient), ε = 1.10 × 105 M-1 cm-1 로 간주하라 (M = mol L-1). (계산을 위하여 Excel 또는 유사한 프로그램을 이용하는 것이 좋을 것이다.)

- 계산 과정




2. 반응차수를 결정하기 위하여 다음의 그래프를 그린다:

(a) [dye] vs 시간 ― 0 차 반응

(그래프 첨부)


(b) ln [dye] vs 시간 ― 1 차 반응

(그래프 첨부)


(c) 1/[dye] vs 시간 ― 2 차 반응

(그래프 첨부)




3. 위의 그래프들 중 어느 그래프가 선형 관계(linear relationship)를 나타내는가? 이 반응의 반응차수는 무엇인가? 선형 관계를 나타내는 그래프에 최소자승법(linear least squares)을 이용하여 직선을 그리고, 직선의 기울기로부터 속도상수, kobs를 구하라 (앞의 그래프에 직선을 표시).
(※ 주의: 반응이 거의 종결됨에 따라 그래프가 선형 관계로부터 벗어날 수도 있는데, 직선을 그릴 때 이 부분은 무시한다.)





반응차수: n = ______________

속도상수: kobs = _____________




4. 시료 No. 2 ~ 5에 대하여 시간에 따른 흡광도를 농도로 변환하고, 앞에서 선형 관계를 나타냈던 그래프를 그린다. 그래프에 최소자승법(linear least squares)을 이용하여 직선을 그리고, 직선의 기울기로부터 속도상수, kobs를 구하라 (그래프에 직선을 표시).

(a) 시료 No. 2

(그래프 첨부)


속도상수: kobs =



- 계산 과정


(b) 시료 No. 3


(그래프 첨부)

속도상수: kobs =



- 계산 과정


(c) 시료 No. 4

(그래프 첨부)


속도상수: kobs =



- 계산 과정




(d) 시료 No. 5

(그래프 첨부)



속도상수: kobs =



- 계산 과정


실험 결과에 대한 고찰

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다음의 질문에 답하시오.
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1. 가정용 표백제는 ~5 (w/v) %의 sodium hypochlorite(NaOCl) 용액이다. w/v는 weight/volume을 뜻하는 것으로, 5 (w/v) %는 100 mL의 NaOCl 용액은 5 g의 NaOCl을 포함하고 있음을 의미한다. 이번 실험에서는 1/10으로 묽힌 표백제 용액을 사용한 것을 고려하여, 시료 No. 1에서 NaOCl의 몰농도를 구하라. 시료 No. 1에서 NaOCl의 몰농도는 색소의 몰농도에 비하여 충분히 큰가?



2. 시료 No. 1 ~ 3의 결과를 토대로, 반응물의 농도는 속도상수에 어떠한 영향을 미치는가?



3. 시료 No. 1, 4, 5의 결과를 토대로, kobs = k[NaOCl]m 에서 NaOCl에 대한 반응차수 m는 얼마이겠는가?





참고문헌
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본문내용

버려야 하며 남은 색소 용액도 싱크대에서 다량의 물과 함께 흘려버린다. 분광광도계의 Sample Holder에서 큐벳을 제거하고, 분광광도계, USB 케이블, 전원 케이블은 모두 정리하여 원래의 상자에 넣어 반납하고 주사기와 큐벳은 증류수로 깨끗하게 세척하여 반납한다. 이번 실험에서는 반응차수, 전체반응차수, 반응속도, 속도법칙, 속도식, 속도상수 등의 이론이 주로 활용되었다. 반응 차수는 위 반응 속도식에서 m과 n을 의미한다. m과 n인 반응 차수는 반응 계수인 a와 b의 관계없이 실험을 통해 구해야 한다. 더불어, 반응 속도식이 인 반응은 A에 대하여 m차 반응, B에 대하여 n차 반응이고 전체 반응 차수는 (m+n)이다. 반응속도는 화학 반응이 발생하는 빠르기이며 정해진 시간 동안 반응물 혹은 생성물 농도 변화량으로 표현 가능하다. 이러한 반응 속도는 기체가 발생하는 경우에 시간에 따른 질량 혹은 기체 생성물의 부피 측정을 통해 파악할 수 있다. 더불어, 앙금이 생성되는 경우에는 앙금 때문에 플라스크 하단에 있는 그림이 가려져 보이지 않을 때까지의 시간을 측정하여 알 수 있다. 으로 표현 가능하다. 속도 법칙 또는 속도 식은 실험적으로 결정되는 반응물 농도와 화학 반응 속도 사이의 상관관계를 의미한다. 이는 농도에 상관없이 일정한 값을 가지는 반응 속도 상수와 반응물 농도 항을 곱한 것으로 나타낸다. 기체가 반응에 참여하는 경우에는 농도 대신에 압력을 활용하기도 한다.
실험에 주로 사용된 기구는 가시광선 분광광도계, 큐벳, 부피플라스크, 피펫, 비커, 일회용 주사기 등이 있으며, 주로 사용된 시약은 식용색소와 가정용 표백제 수용액이 있다. 본 실험에서는 식용색소를 1/50으로 희석하고 표백제는 증류수로 1/10 희석하여 사용하였다. 주요 실험 기구의 사용법과 사용 시 유의사항 그리고 용액의 물리/화학적 특성과 사용 시 주의해야하는 사항에 대해 사전에 조사하고 익혀두어야 한다.
본 실험자는 이번 실험을 통해 Beer 법칙이 성립할 때 흡광도와 거리, 몰흡광계수를 활용하여 용액의 농도를 계산하고 반응에 관한 그래프를 직접 그려 볼 수 있었다. 본 과정을 통해 반응 그래프를 통한 반응차수 결정과 반응속도와 몰농도 변화를 통한 반응차수를 결정하는 과정을 학습할 수 있었다. 또한, Beer 법칙에 따른 용액의 희석에 대해 탐구할 수 있었다. 더불어, 실험 과정에서 희석을 통해 흡광도를 낮추는 방법과 반응물의 농도는 속도 상수에 영향을 주지 않는 다는 점에 대해 명확하게 익힐 수 있었다.
본 실험에서는 실험방법과 유의사항에 주의하여 실험하였기에 오차가 적게 발생하였다. 몰농도와 ln(농도) 그리고 1/ln(농도)를 계산하는 과정에서 다소 반올림의 오차가 발생했을 것으로 사료된다. 반올림의 오차를 줄이기 위해 가능한 하나의 식을 작성하여 전부 계산한 다음에 유효숫자를 정리해 주어야 한다. 다음 실험 과정에서도 본 실험과 같이 수칙과 주의사항에 근거하여 정밀한 실험기구를 통해 실험을 진행하면 오차가 적을 것으로 사료된다.
다음의 질문에 답하시오.
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1. 가정용 표백제는 ~5 (w/v) %의 sodium hypochlorite(NaOCl) 용액이다. w/v는 weight/volume을 뜻하는 것으로, 5 (w/v) %는 100 mL의 NaOCl 용액은 5 g의 NaOCl을 포함하고 있음을 의미한다. 이번 실험에서는 1/10으로 묽힌 표백제 용액을 사용한 것을 고려하여, 시료 No. 1에서 NaOCl의 몰농도를 구하라. 시료 No. 1에서 NaOCl의 몰농도는 색소의 몰농도에 비하여 충분히 큰가?
5g의 NaOCl을 포함하고 있는 100ml NaOCl 용액을 1/10으로 묽혔다는 것은 용질은 변함이 없지만 용매의 부피가 희석 전보다 후에 10배 되었다는 의미이다. 이에 따라, 희석 후에는 5g의 NaOCl을 포함하고 있는 1000ml NaOCl 용액이 되는 것이다.
이며, NaOCl의 몰질량은 다음과 같다.
따라서 시료 NaOCl의 몰농도는 다음과 같이 계산할 수 있다.
0.0672M인 NaOCl의 몰농도는 파장에 따라 6.82M~ 2.90 M 사이의 값인 색소의 몰농도보다 충분히 큰 것을 알 수 있다.
2. 시료 No. 1 ~ 3의 결과를 토대로, 반응물의 농도는 속도상수에 어떠한 영향을 미치는가?
No.1에서 반응물의 농도는 파장에 따라 6.82M ~ 2.90 M 사이의 값이다. 이때, 속도상수는 0.0012이다.
No.2에서 반응물의 농도는 파장에 따라 7.0M ~ 4.13M 사이의 값이다. 이때, 속도상수는 0.0012이다.
No.3에서 반응물의 농도는 파장에 따라 4.64M ~ 5.14M 사이의 값이다. 이때, 속도상수는 0.0013이다. 이에 따라, 반응물의 농도는 속도상수에 영향을 주지 않는 것을 알 수 있다.
3. 시료 No. 1, 4, 5의 결과를 토대로, kobs = k[NaOCl]m 에서 NaOCl에 대한 반응차수 m는 얼마이겠는가?
실험 과정에서 No.1, 4, 5에 첨가한 시료는 다음과 같다.
시료 No.
색소 용액(mL)
증류수(mL)
표백제 용액(mL)
1
1.0
1.5
0.5
4
1.0
1.0
1.0
5
1.0
0.5
1.5
1번 문제에 따라 No.1에서 표백제의 몰농도는 0.00672M임을 알 수 있다.
No.1에 비해 표백제 용액이 2배 만큼 첨가된 No.4는 총 용액의 부피는 일정하지만 시료의 부피만 두 배가 된 것이므로 몰농도는 (0.006722)M이다.
No.1에 비해 표백제 용액이 3배 만큼 첨가된 No.5는 총 용액의 부피는 일정하지만 시료의 부피만 세 배가 된 것이므로 몰농도는 (0.006723)M이다.
이를 정리하여 에 대입하여 표로 나타내면 다음과 같다.
시료 No.
1
4
5
ⅰ) 시료 No. 1, No.4
ⅱ) 시료 No. 1, No.5
따라서 NaOCl에 대한 반응차수 m은 1이다.
참고문헌
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일반화학, Steven S. Zumdahl, Cengage, 2018, 171쪽

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