비 선형 화학동력학-진동현상

목차

I. 서 론

Lotka-Volterra 모델

Brusselator 모델

Belousov-Zhabotinsky 진동반응

Bromate-Ferroin-Bromomalonic Acid 반응

II. 실 험

실험 과정 1 : 젓게 효과

실험 과정 2 : 방치 효과

실험 과정 3 : 초기 농도의 영향

실험 과정 4 : 실리카 겔

III. 데이터 분석

본문내용

신 지시약 ferroin 용액을 사용하면 산화-환원 반응에 따른 색깔 변화를 선명하게 관찰할 수 있어 본 실험에서는 bromate-ferroin-bromomalonic(BFB) 반응계를 선택하였다. 페로인은 황산철과 1,10-orthophenanthroline 간에 형성된 착물로서 직접 산화-환원 반응에 참여한다. 세륨 반응계와 페로인 반응계 간에는 2가지의 중요한 차이가 있다. 하나는 Fe(phen)32+/Fe(phen)33+ (1.14 V)와 Ce3+/Ce4+ (1.6 V) 간의 산화-환원 포텐셜 차이이고, 다른 하나는 페로인은 유기 리간드를 포함하고 있다는 것이다. 페로인의 낮은 포텐셜 때문에 기본반응 단계들의 평형은 Fe(phen)33+ 산화상태로 이동이 일어날 수 있다. 1984년 Rovinsky와 Zhabotinsky는 세륨 반응계의 반응메커니즘을 수정한 다음과 같은 FKN 메커니즘을 발표하였다.
H+ + HBrO3 + HBrO2 HBrO2+ + BrO2 + H2O (10)
BrO2 + H+ HBrO2 (11)
Fe(phen)32+ + HBrO2 Fe(phen)33+ + HBrO2 (12)
2HBrO2 HOBr + HBrO3 (13)
H+ + Br- + HBrO2 2HOBr (14)
H+ + Br- + HOBr Br2 + H2O (15)
H+ + Br- + HBrO3 HBrO2 + HOBr (16)
Fe(phen)33+ + CHBr(COOH)2 Fe(phen)32+ + H+ + CBr(COOH)2 (17)
H2O + CBr(COOH)2 H+ + Br- + COH(COOH)2 (18)
HOBr + CHBr(COOH)2 CBr2(COOH)2 + H2O (19)
Br2 + CHBr(COOH)2 CBr2(COOH)2 + H+ + Br- (20)
이 메커니즘 모델에서는 COH(COOH)2 유기물질이 관여하는 기본반응단계들을 포함하지 않았다. 1994년 Zhabotinsky 연구진은 생략된 기본반응단계들을 추가한 메커니즘을 발표하였다.
II. 실 험
실험장치 :
A/D board와 프로그램 PC 컴퓨터
백금 전극 Hg/HgSO4 표준 전극
Bromide 전극 High Impedence Source
자석 젓게 비커
순환펌프 Thermocouple
시약 :
용액 A :
x
M NaBrO3 용액/
y
M H2SO4
A1) 100 mL
x
= 0.6 M,
y
= 0.60 M
A2) 100 mL
x
= 0.48 M,
y
= 0.48 M
A3) 100 mL
x
= 0.38 M,
y
= 0.38 M
A4) 100 mL
x
= 0.3 M,
y
= 0.3 M
용액 B : 40 mL 0.48 M Malonic Acid
용액 C : 25 mL Ferroin
용액 D : 0.97 M NaBr (1 g/10 mL)
실험 과정 1 : 젓게 효과
① Erlenmeyer flask에 A1 용액 7 mL, B 용액 3.5 mL, D 용액 1 mL를 넣는다.
② 마개로 막고 자석 젓게로 5분 이상 젓는다. 브롬이온이 브롬산과 반응하여 산화될 때 용액은 갈색으로 변한다. 만약 색깔이 나타나지 않을 수도 있다. 그렇더라도 걱정하지 말 것.
③ 말론산과 반응하여 bromomalonic acid이 될 때 갈색은 사라진다.
④ 용액이 밝아졌을 때 페로인 용액 0.5 mL를 첨가하고 저어라. 용액은 붉은색과 청색 사이를 진동할 것이다.
⑤ 브롬 이온 전극, 백금 전극, 표준 전극과 thermocouple를 용액 속에 장착하고 즉시 데이터를 기록한다. 전극들을 용액 깊숙이 넣어 젓게를 방해하지 않도록 주의하기 바란다.
⑥ 45분 동안 데이터를 기록한다.
실험 과정 2 : 방치 효과
위 실험 과정를 반복하는데 단 ④과정에서 용액을 젓지 말고 그대로 방치하여라.
실험 과정 3 : 초기 농도의 영향
용액 A2, A3, A4에 대하여 실험 과정 1을 반복하여라.
실험 과정 4 : 실리카 겔
① 실험 과정 1를 반복한다. 단 ④ 과정에서 용액의 색깔을 무시하고 피펫을 사용하여 충분한 양의 용액을 깨끗한 petri 접시에 옮겨서 Cabosil(정밀 실리카 겔)과 혼합하여라.
② 겔이 얇고 점도성이 있는 층을 형성하면 접시를 덮고 기다려라.
③ 붉은 용액에서 파란 작은 링이 나타날 것이다. 투명한 자를 접시 옆에 놓고 video을 촬영하여라.
III. 데이터 분석
① 백금 전극 포텐셜과 브롬 이온 전극의 포텐셜을 시간에 대하여 도시하여라. 초기 농도에 따라서 어떤 차이가 있는지 설명하여라.
② 각 초기 농도에 대하여 유도시간과 진동주기는 각각 얼마인지 구하여라.
③ 기저물질이 달라짐에 따라 유도시간, 진동 주파수 및 진폭 등은 어떻게 변하는가?
④ 브롬 이온 포텐셜과 백금 전극 포텐셜는 동일한 진동주기를 갖는지?
⑤ 반응이 진행됨에 따라 진동주기에 변화가 생길 것이다. 이것은 반응에 대하여 무엇을 나타내는지 설명하여라.
⑥ 백금 전극 포텐셜을 브롬 이온 포텐셜에 대하여 도시하여라.
⑦ 이 결과는 반응의 무엇을 의미하는지?
⑧ 얻은 결과를 메커니즘 항으로 설명하여라. 제시된 반응단계의 대부분을 사용하여 설명할 것.
⑨ bromate-ferroin-bromomalonic(BFB) 반응계의 메커니즘과 bromate- cerium-bromomalonic(BCB) 반응계의 메커니즘을 상호 비교하여라.
참고문헌
1. P. W. Atkins, Physical Chemistry, Sixth Edition, Oxford University Press, Oxford, Chapter 26, 1998.
2. PChem Lab., download at www-chem.st.usm.edu/NEW/pages/pchem.
3. R. J. Field and R. M. Noyes, J. Phys. Chem., 60, 1877, 1974.
4. A. B. Rovinsky and A. M. Zhabotinsky, J. Phys. Chem. 88, 6081, 1984.
5. A. M. Zhabotinsky, L. Gyorgyi, M. Dolnik and I. R. Epstein, J. Phys. Chem. 98, 7981, 1994.

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