실험4. 산소의 제법과 성질

1.실험 목적.

실험실에서 이산화망간을 촉매로 하여 염소산칼륨을 열 분해시켜서 산소 기체를 제조한다. 또한 얻은 산소기체의 화학적인 성질을 조사하여 본다.

2.기구 및 재료.

-연소숫가락

-시험관

-핀셋

-성냥

-알코올램프

-전자저울

-염소산칼륨 KClO₃

-이산화망간 MnO₂

3.절차.

1)빈 시험관의 무게를 전자저울에 정확하게 측정한다.

2)빈 시험관에 염소산칼륨 2g, 이산화망간을 0.2g을 정확하게 측정하여 넣는다.

3)알코올램프의 불꽃 위에서 시험관을 골고루 가열한다. 이때 시험관의 입구를 살짝 아래로 내린다.

4)시험관 속에서 반응이 일어날 때 성냥에 불을 붙였다가 끄고 불씨를 남겨 시험관의 입구에 대어 일어나는 결과를 관찰한다.

5)시험관 속 반응을 관찰한 후 더 이상 반응이 일어나지 않을 때 알코올램프의 불을 끄고 가열된 시험관을 식혀 무게를 측정한다.

6)빈 시험관의 무게와 나중에 식힌 시험관의 무게의 차를 구하고 그 값이 염소산칼륨과 이산화망간을 더한 값보다 작은지 판단한다.

7)발생하는 산소량의 이론값을 구하고 그 값으로 실험값을 나눈 후 100%를 곱해 산소의 수득률을 구한다.

4.결과와 원리

실험실에서 산소를 만드는 가장 보편적인 방법은 염소산칼륨을 분해시키는 것으로 이 반응은 다음과 같은 반응식으로 표시된다.

2KClO₃(s)  →  2KCl (s) + 3O₂(g)

이 반응은 이산화망간과 같은 정촉매에 의해 매우 빠르게 진행된다. 촉매란, 반응속도는 변화시키면서 자시 자신은 변하지 않아 반응 후에 회수될 수 있는 물질이다. 발생되는 산소는 일반적으로 수상포집법으로 모을 수 있다.

5. 연습문제

1. 금속이나 비금속 산화물은 물과 반응하여 서로 다른 액성을 띤다.

각 산화물의 보기를 들고 물과 반응한 후 액성을 말하라.

	보 기	액 성
금속 산화물	산화마그네슘(2Mg + O₂ ㅡ> 2MgO)	염기성
비금속 산화물	이산화황(S+ O₂ ㅡ> SO₂)	산성

2. 촉매의 종류와 촉매가 반응에 미치는 영향을 써라.

일반적으로 촉매작용은 촉매와 반응물 사이에 화학반응이 일어나 중간물질을 형성해 활성화 에너지를 낮추어 서로 간, 또는 다른 반응물과 쉽게 반응하도록 하거나 활성화 에너지를 높여 반응하는 것을 어렵게 만들지만 어떻게 하든 최종생성물이 만들어 진다는 것에는 변함이 없다. 화학반응의 중간물질과 반응물 사이에 반응이 일어나면 촉매는 재생산된다. 쉽게 반응하게 하는 것을 정촉매, 어렵게 만드는 것을 부촉매 또는 역촉매라고 하며, 정촉매에는 이산화망간, 효소 등이 있고 부촉매에는 소화약제 등이 있다.

3. KClO₃1g을 완전히 분해시키면 표준 상태에서 몇 cc의 산소가 발생하는가?

KClO₃의 분자량은 122.5 이다. 즉 1몰이 122.5g이므로 2KClO₃(s)  →  2KCl (s) + 3O₂(g)에서 2몰의 염소산칼륨 당 3몰의 산소가 생성되므로 1몰의 염소산칼륨 당 1.5몰의 산소가 생긴다. 여기에서 1g의 염소산칼륨 몰수는 8.163265306x10⁻³. (계산하기 불편하므로 약 0.008로 한다. )

1몰 염소산칼륨 : 1.5몰 산소 = 0.008몰 염소산칼륨 : x몰 산소

x값은 0.01이 되고, 표준상태에서 1몰의 부피는 22.4L이므로 22400cc. (1ml=1cc)

0.012몰*22400cc = 268.8cc

(유효숫자 계산하는 법이 헷갈려 x값을 0.012로 계산해야 하는지 0.01로 계산해야 하는지 잘 모르겠어서 0.012로 계산했습니다.)

4. 가스 포집 방법을 설명하여라.

공기보다 가벼운 기체를 포집할 경우, 상방포집이라는 방법으로 집기병을 거꾸로 세워 가는 관을 꽂고 유리판으로 아래의 입구를 가린 뒤 기체를 포집한다. 포집이 끝나면 유리판으로 입구를 완전히 막는다. 공기보다 뚜렷하게 무거운 기체일 경우, 하방포집이라는 방법으로 집기병을 똑바로 세우고 관을 꽂은 뒤 유리판으로 위쪽의 입구를 가리고 기체를 포집한다. 포집이 끝나면 유리판으로 입구를 완전히 막는다. 물에 잘 녹지 않는 기체일 경우, 수상포집이라는 방법으로 집기병에 물을 채워 수조에 거꾸로 세운 후 집기병 안으로 관을 집어넣고 집기병에 기체가 채워지면 집기병을 유리판으로 막은 다음 꺼낸다.

5.HgO(산화수은), BaO₂(과산화바륨), NaNO₃(질산나트륨), KClO₃(염소산칼륨)을 가열할 때 산소가 발생한 순서와 반응식을 기록하여라.

발생한 순서 :

-문제에서 촉매를 사용한다는 말이 없었으므로 일단 고온으로 가열했을 때 산화바륨과 산소로 분해되는 BaO₂, 그리고 400℃이상으로 가열했을 때 염화칼륨과 산소로 분해되는 KClO₃, 500℃에서 분해되는 HgO, 800℃이상으로 가열했을 때 분해되는 NaNO₃.이 순서인 것 같다.( KClO₃에 정촉매를 집어넣으면 70℃에서 분해되므로 순서가 바뀐다.)

반응식 :2HgO → 2Hg  + O₂

2BaO₂→ 2BaO + O₂

2NaNO₃→  2NaNO₂ +  O₂

2KClO₃→ 2KCl + 3O₂

6. 산소를 포집할 때 집기병 속에 공기가 들어가면 안 된다. 그 이유는?

집기병 속에 공기가 들어가면 나중에 발생한 산소가 집기병에 모이면서 공기 속의 기체들과 섞이게 되어 순수한 산소를 포집할 수 없게 되므로 공기가 들어가지 않도록 주의해야 한다.

7. 약 1L의 산소를 발생시키는 데 필요한 KClO₃의 양을 계산하여라.

기체 1몰의 부피는 22.4L이므로 1L는 약0.04몰이 된다.

1몰 염소산칼륨 : 1.5몰 산소 = x몰 염소산칼륨 : 0.04 산소

이것을 계산하면 염소산칼륨의 몰수는 0.03이 되고 몰 수 * 분자량 = 질량 이므로 0.03 * 122.5 = 3.675g. 약 3.7g이 된다.

8.그림(수상치환 산소발생장치)와 같은 장치를 꾸밀 때 시험관의 입구가 약간 아래로 기울게 하는 이유는 무엇인가?

산소의 평균밀도는 공기의 평균밀도보다 크므로 공기의 아래쪽으로 가라앉는데 이때 입구가 아래로 기울어져 있으면 발생한 산소가 쉽게 집기병으로 들어갈 수 있다. 입구가 위로 기울어져 있다면 시험관 안에 들어있던 다른 공기가 집기병으로 들어갈 수 있으므로 주의해야 한다.

9. 실험하지는 않았지만 아래 표를 채워보자.

연소물질	산 화 물	리트머스종이의 변화	용액의 액성
Mg리본	MgO	붉은색→푸른색	염기성
S가루	SO₂	푸른색→붉은색	산성

10. 산소는 물질을 잘 태우는가? 그 현상을 무엇이라고 하는가?

연소하기 위한 필요조건은 충분히 연소할 만한 물질과 발화점 이상의 온도, 그리고 연소하기에 충분한 양의 산소인데 연소하는 물질이 잘 탈 수 있도록 도와주는 성질이라고 해서 조연성이라고 한다.

6. 토론

한꺼번에 실험을 두 개나 하는 바람에 조금 복잡했지만 염소산칼륨에 이산화망간을 넣고 반응을 관찰하는 일은 어렵지 않았다. 다만 마지막에 염소산칼륨+이산화망간+시험관의 무게를 측정하는 것을 잊어버리는 바람에 재측정을 해야 했다. 이후 산소의 수득률을 구할 때 측정치가 잘못되어 수득률의 값에 오류가 생겼다. 아마 염소산칼륨과 이산화망간의 질량측정에 문제가 있었던 것 같다. 앞으로의 실험에서는 최대한 정확한 측정을 통해 실험값의 오차를 줄여나가야겠다.

ps. 교재의 실험과 교수님께서 지정해주셨던 실험방법이 상당히 달랐으므로 교재보다는 수업시간에 했던 실험 위주로 정리했습니다.