[일반화학실험] 25. 촉매 반응 실험 레포트(보고서)

* 실험 데이터 값이 조금 정확하지 않습니다. 실험 결과에 조금 자신이 없는 레포트이니,,, 참고바랍니다!

 

 

1. 목적

과산화수소의 분해 반응을 빠르게 하는 다양한 촉매와 반응을 느리게 하는 억제제의 작용과 그 원리를 알아본다.

 

 

2. 기구&시약

(시약 조사 생략함)

• 기구 : 50 mL 뷰렛 고무관과 고무 마개 2개, T-자관, 고무 벌브, 250mL 삼각 플라스크 5개, 자석 젓게
• 시약 : 3% H2O2, 0.1 M KI, MnO2 0.5 g, 0.1M CuCl2, 비눗물, 채소 추출물 혹은 감자 한 두 조각 (채소 추출물은 채소 혹은 감자 껍질을 벗기고 얇게 썬 다음 블랜더에 넣고 약 35mL의 물을 넣고 약 10분 정도 간다. 얇은 헝겊을 대고 거르면 카탈레이스 용액을 얻게 된다.)

 

 

3. 원리

(1) 반응 속도 조절 방법

  ① 반응물과 생성물의 양을 조절하여 속도를 제어하는 것

  ② 촉매나 억제제를 사용하여 속도를 변화시키는 것

 

(2) 과산화수소의 분해반응

• 위 반응에서의 에너지 장벽(퍼텐셜에너지) : 반응 초기의 과산화수소(H2O2) 분자에서 수소-산소 결합이 인접한 다른 분자의 수소와 새로운 산소-수소 결합을 이루면서 서서히 깨어지면서 생기는 것
• 모든 전이 상태에 있는 화학종이 생성물로 변하는 것이 아니라 일부분은 반응물로 다시 돌아가며 이러한 변화는 매우 빠르게 일어난다.
• 반응물과 생성물간의 에너지 차는 반응의 자발성을 결정하는 요소이고, 반응물과 전이 상태의 에너지 차이는 반응의 속도를 결정하는 요소이다.

 

(3) 아레니우스 식

① 활성화 에너지와 온도

• 반응물이 생성물로 가기 위해서 분자들은 활성화 에너지 장벽을 넘을 수 있는 충분한 열에너지를 가져야 한다.
• 주어진 온도에서 분자들은 특정 에너지 분포를 보이는데, 모든 분자들의 평균 열에너지는 RT에 비례한다.
• 분자들 중에서 Ea 이상의 에너지를 가지는 분자들의 분율은 활성화 에너지와 열에너지의 비(Ea/RT)에 지수적으로 의존하는 함수이다.

② 아레니우스 식

• k : 속도 상수
• A : 상수 → 반응물들이 얼마나 쉽게 생성물에 적합한 형태의 배열을 할 수 있는지에 의존
• 지수항 : 활성화 에너지 장벽을 넘기에 충분한 열에너지를 가지는 분자의 분율을 의미한다.

③ 반응속도를 증가시키는 두 가지 방법

• 다른 조건이 같다면 온도 증가→ 단순히 반응계의 온도를 증가시키면 가능
• 활성화 에너지를 낮추는 것 → 촉매를 첨가함으로써 가능

 

 

(4) 촉매 : 반응에서 소비되지 않으면서 반응의 속도를 증가시키는 물질

• 일반적으로 활성화 에너지를 낮추는 새로운 반응의 경로를 제공함으로써 반응의 속도를 증가시키는 역할을 한다.
• 촉매는 전체 반응의 화학 반응 균형식에는 나타나지 않지만 반응의 속도는 증가시킨다.
• 종류

• 균일 촉매 : 반응물과 같은 상에서 작용하는 화학물질
• 불균일 촉매 : 반응물과 서로 다른 상으로 존재하는 화학 물질
• 효소 : 촉매 작용을 할 수 있는 생물 분자

 

(5) 균일 촉매인 아이오딘화 이온(I-)과의 반응

• rate=k[H2O2][I-]
• 아이오딘화 이온은 활성화 에너지를 76kJ/mol에서 57 kJ/mol로 낮추어 줌으로써 물과 산소의 생성을 촉진하는 촉매 작용을 한다.

(6) 불균일 촉매 MnO2 이산화망가니즈(IV)

• MnO2 : 물에 녹지 않는 검은색의 고체이다. 물에 녹지 않기 때문에 과산화수소 분해 반응의 불균일 촉매로 작용한다.
• 반응이 고체/액체의 계면에서 일어나기 때문에 실험에서 중점을 두어야 하는 문제는 과산화수소 분자가 꾸준히 계면으로 이동하도록 해야 한다는 것이다. 예를 들어 만약 산소 기체가 고체의 표면에서 생성된다면 용액 중의 과산화수소는 계면으로 이동하여 활성화된 표면에 도달하기 어렵게 된다. 이럴 경우 계속 저어주는 것이 간단하면서도 좋은 해결책이 된다.
• 불균일 촉매의 장점 : 반응물과 서로 다른 상으로 존재하기 때문에 혼합물로부터 분리해서 재사용 할 수 있다.

 

(7) 효소

① 과산화수소 : 강한 산화제

• 과산화수소는 소독약으로 사용되지만 강한 산화제이므로 한편으로는 세포에 심각한 해를 끼칠 수 있다.
• 과산화수소는 세포막에서 지방산과 반응하여 세포막의 구조에 손상을 입히는 것으로 알려져 있다.
• 이러한 산화 작용에 의한 손상을 방지하기 위해서 세포는 효소를 만들어 과산화수소의 분해를 촉진한다.

 

② 카탈레이스 : 철-헴을 가진 효소이다.

• 4개의 부분으로 이루어진 테트라머(tetramer)이고 분자량은 250,000 g/mol이다.
• 각각의 테트라머 단위는 단백질로 둘러싸인 헴에 결합된 철(III) 이온으로 이루어진 하나의 활성 자리를 가지고 있다. 이 활성 자리에 과산화수소가 결합하여 물과 산소로 분해된다.
• 헴 : 가운데에 금속 이온과 결합할 수 있는 포켓을 가진 거대 고리 모양 분자

• 간단한 철 염(예를 들면 FeCl3)도 촉매 활성을 가지고 있지만, 효소의 헴 안의 철과 결합하면 반응을 더 빠르게 할 수 있다. 이 촉매 반응의 활성화 에너지는 단지 8.8 kJ/mol 밖에 되지 않는다.
• 카탈레이스는 매우 효율적인 효소이고 세포 내에서 과산화수소의 분해 속도는 과산화수소 분자가 효소에 도달하는 속도와 거의 비슷하다.

 

• 카탈레이스의 세 가지 구성 요소, 즉 철(II) 이온, 헴, 단백질 모두 촉매 작용을 하도록 하는 데 중요하다. 이 세 구성 요소가 모두 중요하므로 이 중 어느 하나의 구성 요소라도 방해를 받게 되면 촉매는 방해를 막게 된다.

• 억제제는 반응의 속도를 늦추는 작용을 하는 화학 약품이다.
• 카탈레이스의 경우 구리(II) 이온이 억제제로 작용한다.
• 구리(II)는 헴의 결합 자리를 두고 철과 경쟁을 하는 것으로 알려져 있다. 구리(II)가 헴의 포켓에 결합되면 이 효소는 촉매로 작용하지 못하고 결국 반응은 느려지게 된다.

 

 

4. 유의사항

• 과산화수소수는 위험하므로 손에 닿지 않도록 주의한다. 특히 튀지 않도록 주의한다.
• 촉매 반응의 경우 기체 발생 속도가 빠르므로 측정에 유의한다. 측정이 어렵거나 오차를 줄이려면 과산수소를 더 묽히거나, 기체의 부피를 30~40mL까지 더 많은 양이 발생하는 시간을 측정한다.
• 기체의 부피는 뷰렛과 비눗방울을 사용하여 만든 장치를 이용하여 측정한다. 발생된 기체는 고무호스를 따라 뷰렛으로 이동하며, 반응이 진행되어 기체가 발생함에 따라 비누막이 위로 올라가게 된다.

 

 

5. 실험과정

1. 뷰렛과 T자 관을 연결한 장치를 만들고, 뷰렛 아래에 연결된 고무 벌브에 비눗물을 채운다.
2. 250mL의 삼각 플라스크에 25mL의 과산화수소수를 넣는다.
3. 플라스크에 젓기 막대를 넣고 자석 젓게 위에 올려 젓기 시작한다.
4. 플라스크 위를 고무관 달린 고무 마개로 막고, 뷰렛 끝의 고무 벌브를 눌러 비누막을 만든다.
5. 20mL의 가스를 만드는데 걸리는 시간을 측정한다. (단, 순수한 과산화수소수는 시간이 너무 많이 걸리므로 2mL를 만드는데 걸리는 시간을 측정한 다음 10배를곱한다). 250mL의 삼각 플라스크에 5.00mL의 과산화수소와 젓기 막대를 넣고, 5.0mL의 I- 용액을 첨가한 다음 젓게 위에 올려 젓기 시작한다. 촉매를 넣은 시간부터 반응이 시작되는 것으로 간주한다. (촉매를 넣은 시간 = 0.0 초인 지점)
6. ③과 ④의 과정을 반복한다. 단, 촉매 반응의 경우 기체 생성 속도가 빠르므로 20 mL의 기체를 생성하는 시간을 측정한다.
7. 다른 촉매에 대해서도 실험 결과 1항의 표에 있는 대로 촉매를 넣고 5~6의 과정을 반복한다.

 

6. 실험결과

◈ 실험결과 처리

• 과산화수소의 분해는 산소 기체를 생성하므로, 반응 속도는 기체의 생성 속도를 측정함으로써 결정할 수 있다. 시간에 따라 이동하는 비누 막의 위치로부터 기체의 부피를 알 수 있다. 시간에 따라 생성되는 기체의 부피를 측정하여 반응 속도를 구한다.
• 단위 시간당(초당) 발생되는 기체의 부피로부터 이상기체 법칙을 이용하여 초당 발생하는 산소의 몰수를 계산한다. 부피 계산에서는 수증기에 의한 부피를 보정해준다(25 ℃에서 수증기압은 24 torr이다).

1. 산소 발생에 걸리는 시간(초)

	과산화수소수의 부피(mL)	증류수의 부피(mL)	촉매의 양	기체 20.0mL를 생산하는데 걸리는 시간(초)
순수한 H2O2	25.0mL	5.0mL	0.0mL	1300s(COMMENT: 반응이 매우 느리기 때문에 순수한 H2O2의 경우는 O2 2mL를 만드는데 걸리는 시간의 10배로 간주)
I-		0.0mL	5.00mL	290s
MnO2		5.0mL	0.50g	10s
catalase		0.0mL	5.0mL*
catalase/Cu2+		0.0mL	5.0mL/10방울 정도

* 감자추출물 5.0 mL 대신 감자 한 두 조각을 넣어도 됨

 

 

2. 과산화수소의 분해 반응의 속도식을 산소 기체의 농도 변화로 표시하면,

(a) 촉매 반응 실험 중 I-와의 반응에 대해 25℃, 1기압에서 물의 증기압은 24 torr라고 할 때, 초당 몇 mL의 산소가 발생하는가(수증기의 부피를 보정해준다)?

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(b) 초당 몇 몰의 산소가 발생하는가?

 

(c) 반응 속도는 얼마인가? (산소의 몰수를 용액의 부피로 나누면 [O2]을 구할 수 있다)

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(d) 초당 몇 몰의 H2O2가 분해되는가?

(e) 본문에 주어진 메커니즘에 따라 속도식을 유도하고, 실험에서 얻어진 속도와 비교한다.

속도=k[H2O2][촉매]

 

 

3. 다른 촉매와 억제제를 사용한 경우에 대해서도 2와 같은 과정으로 계산하여 아래 빈칸을 채워라.(데이터값 X)

	초당 발생하는 산소의 부피(mL)
순수한 H2O2
I-
MnO2
catalase
catalase/Cu2+

 

4. 20.0 mL의 3.0% 질량 백분율의 과산화수소를 다음과 같은 반응에 의해 분해했다면, 24℃, 770torr(760 torr = 1기압)에서 발생하는 산소의 총 부피는 얼마인가? 단, 3% 과산화수소 용액의 밀도는 1.000 g/mL, R=0.08206L·atm/mol·K라 한다.

3% 과산화수소의 몰농도는 0.88M (계산과정은 레포트 15번 참고)

발생한 산소의 몰수 n(O2) = 0.88M * 20.0mL / 2 = 8.8 mmol

 

참고문헌

표준일반화학실험, 대한화학회, 208-216p