회분식반응기 결과레포트

목차

Figure 1.
조작 방식에 의한 반응기의 분류와 반응기 내의 농도 변화 ··

Figure 2.
반응계의 몰 물질 수지 ········································

Figure 3.
반응차수 vs 온도의 그래프 ···································
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Figure 4.
-dCA/dt vs CA 그래프 ········································
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Figure 5.
미분법에 의한 데이터 그래프 ·································
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Figure 6.
1차 반응으로 가정한 적분법 그래프 ··························
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Figure 7.
2차 반응으로 가정한 적분법 그래프 ··························
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본문내용

값을 나타내었다. 25℃의 반응차수를 알아보기 위하여 먼저 적분법을 사용하여 알아보면 (CA0/CA) vs t와 1/CA vs t의 그래프 두 개를 그리고, 직선적인 추세선을 그려서 추세선과 가장 가까운 값을 가지는 그래프를 확인해 보았다. (CA0/CA) vs t는 그래프의 형태가 로그함수적인 형태를 띄었고, 1/CA vs t의 그래프는 직선적인 형태를 띄었다. 그 결과 1차 반응을 나타내는 (CA0/CA) vs t보다는 2차 반응을 나타내는 1/CA vs t의 그래프가 직선 추세선과 더 잘 맞아 떨어졌다. 이러한 결과를 보아서 이 반응은 2차 반응이라는 것을 추측할 수 있었다. 미분법을 사용하여 식 ln(-dCA/dt) vs lnCA을 사용하여 반응차수를 계산하여 알아낸 값은 2.400이었다.
44℃의 반응차수도 25℃와 같은 방법으로 데이터를 분석하였을 때 결과도 25℃와 비슷하게 나타났는데, 적분법의 결과로는 (CA0/CA) vs t는 로그함수적으로 그려졌고, 1/CA vs t는 직선적으로 그래프가 그려졌다. 추세선은 1/CA vs t와 더 잘 맞았고, 미분법의 결과로 반응차수는 1.902가 계산되어졌다.
56℃의 반응차수를 구하는 것 역시 25℃와 같은 방법으로 데이터를 분석하였다. 결과는 약간 위의 두 실험과 약간 다르게 되었다. 우선 적분법의 결과 (CA0/CA) vs t와 1/CA vs t 둘 다 로그함수적인 형태를 띄었지만 직선 추세선에는 1/CA vs t가 약간 더 잘 맞는 모습을 보였다. 하지만 위의 두 실험과 달리 그래프가 잘 그려지지 않았다. 세 개의 실험 중 가장 오차가 많이 발생한 실험이라는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 미분법으로 계산되어진 반응차수는 2.420이었다.
3개의 실험 중 56℃가 가장 2에서 멀리 떨어진 값이 나왔다. 그 이유로는 반응기가 온도를 잘 제어하지 못해서 반응이 이루어지는 동안에도 반응기의 온도에 변화가 계속적으로 찾아왔다. 반응이 온도에 민감했다면 약간의 온도차이로도 반응이 완전히 이루어지지 못했을 가능성으로 인해서 오차가 다른 것들 보다 더 크게 나타났을 가능성이 있다.
44℃를 제외한 모든 반응의 차수가 2이상이 계산되었는데 이를 보면 오차가 발생하였음을 알 수 있다. 반응 차수에서 오차가 발생한 이유는 반응이 비가역 반응이어서 반응물이 완전히 생성물로 가지 못하여서 반응이 완벽히 일어나지 않았을 가능성이 있다. 그리고 실험에 사용한 반응이 부차적인 생성물이 많이 발생하는 반응이어서 반응이 완전히 이루어지는데 어려움이 많아서 반응차수가 높게 나왔을 가능성이 있다. 그리고 반응차수는 농도에도 영향을 받는데 반응물의 농도가 낮았기 때문에 저장탱크나 이동호스, 반응기내부에 약간씩 들어있던 물이 농도를 묽게 만들었을 가능성이 있다.
오차를 개선하기 위해서는 반응이 일어날 때 반응용액에 에탄올을 매우 소량 넣어주어서 반응이 잘 일어나게 해주고, 반응기내의 물이 되도록 많이 제거되도록 밸브를 오랫동안 열어 두도록 한다.
반응 속도 상수를 구하는 방법도 있었는데, 미분법으로는 ln(-dCA/dt) vs lnCA그래프의 y절편의 값이 속도상수에 값을 적용한 것이고, 적분법으로는 그래프의 기울기가 속도 상수 값이 되는데 온도와 방법에 따라 다 다른 값이 나타났다.
그래서 반응속도 상수의 값이 얼마인지는 정확히 알 수는 없지만 온도가 상승함에따라 반응속도상수가 대체적으로 상승한다는 것을 알 수 있다.
4. Conclusion
이 실험은 에틸아세테이트와 NaOH를 반응시켜서 반응물이 반응하는 동안 변하는 전도도를 이용하여 반응의 정도와 매 순간마다 반응물의 농도를 확인하고, 반응 차수와 반응속도 상수를 계산하고 확인하는 실험이었다.
실험은 온도를 25℃, 40℃, 50℃로 정하고 실험을 하였지만 반응기의 온도가 설정한 온도에서 멈추지 않고 계속 상승하여서 25℃, 44℃, 56℃로 실험을 진행하게 되었다.
실험 장치와 컴퓨터가 연결되어있어서 손으로 조작하고 일일이 데이터를 계산할 필요 없이 간단하게 실험 과정 진행과 결과처리가 이루어져서 매우 편리한 실험이었다. 반응기도 반응물을 넣고 교반을 시킨 후 일정 시간이 흐른 뒤 교반을 정지시키고 반응이 모두 이루어진 용액을 버리고 세척 후 온도를 변화시켜 가면서 다시 실험을 반복하면 되는 실험이었다.
25℃에서 실험한 결과는 실온에서 실험한 것이어서 온도를 올릴 필요가 없어서 실험중 시간이 가장 짧게 걸리는 실험이었다. 이 실험의 결과는 적분법에 의한 반응차수는 2차이고, 미분법에 의한 반응차수는 2.400로 계산되었다. 반응속도 상수는 적분법에서 1차 반응일 때는 0.139이고 2차 반응에서는 6.112로 계산되고 미분법에서는 3.211로 계산되었다.
44℃의 경우에는 적분법에 의한 반응차수는 2차이고, 미분법에 의한 반응차수는 1.902로 계산되고, 반응속도 상수는 적분법 1차 반응일 때는 0.206, 2차 반응일 때는 28.767이었고, 미분법에서 반응속도 상수는 2.861로 계산 되었다.
55℃의 경우에는 적분법에 의한 반응차수는 2차 반응으로 나타났고, 미분법에 의한 반응차수는 2.420으로 계산되었다. 반응속도 상수는 적분법 1차 반응의 경우 0.127이고, 2차반응의 경우 11.953로 계산되었다. 미분법의 반응속도 상수는 5.124로 계산 되었다.
실험 결과가 잘 나오다가 마지막 실험에서는 결과가 조금 엉망으로 나오게 되었는데 반응기의 온도를 올리면서 프로그램 상에 고온으로 인해 경고등에 불이 들어온 것을 무시하고 그냥 실험한 것이 실험의 실수였던 것 같다.
반응 차수는 대부분이 2로 거의 일정하게 온도에 관계없이 나타났고, 반응속도 상수의 경우 온도가 상승 할수록 반응속도 상수 역시 대체적으로 상승하는 모습을 보였다.
이 실험의 결과로 반응속도 상수는 온도에 따라 상승한다는 것을 알 수 있고, 반응차수는 온도와 관계없이 일정한 값을 유지한다는 것을 알 수 있었다.
그리고 실험의 결과를 더욱 좋게 하기 위해서는 온도조절을 더 조심해서 하고, 반응기에 들어가는 반응물의 반응이 더욱 잘 일어나 생성물이 많이 생성되게 만들어 주는 것이 좋다.
Reference

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