060 – 분자 간 반응 속도

두 가지 물질, 하나의 산, 하나의 열량계, 그리고 단 한 번의 실험으로는 답할 수 없는 질문: 마그네슘이 산소 속에서 탈 때 방출되는 에너지는 얼마인가? 마그네슘은 너무나 맹렬하고 너무나 밝게 타올라 학교 실험실의 열량계로 직접 측정할 수 없으며, 비커의 물속에서 서서히 일어나도록 유도할 수도 없다. 이 문제를 해결하는 방법은 열화학의 표준적인 요령, 즉 두 가지 반응을 측정하는 것이다. 할 수 있다 안전하게 수행한 뒤, 산술적으로 결합하여 측정할 수 없는 반응에 도달하는 것입니다. 그것이 바로 헤스의 법칙입니다. 엔탈피는 상태 함수이므로 두 상태 간의 에너지 변화는 그 사이에 취한 경로에 의존하지 않으며, 따라서 측정하기 불가능한 반응을 측정하기 쉬운 반응들로 조합하여 구성할 수 있습니다.

여기서 진행하는 것은 두 가지 간단한 반응이다. 마그네슘 금속이 염산에 녹아 수소 기체와 염화마그네슘 용액을 생성하고, 산화마그네슘은 같은 염산에 녹아 수소 대신 같은 용액과 물을 생성한다. 둘 다 발열 반응이며, 몇 분 안에 완결되고, 묽은 산을 사용하면 밀폐된 용기에서도 안전하다. 한 반응에서 다른 반응을 빼고 액체 물의 알려진 생성 엔탈피를 더하면 정확히 마그네슘의 연소 반응이 남는다. 이번 실험에서는 1 mol/L 염산 100 mL가 담긴 동일한 열량계에서 두 반응을 차례대로 진행하고, 각 반응 전후의 온도를 기록하며, 온도-시간 그래프 하나로 두 반응을 모두 나타낼 것이다. 이를 통해 동일한 원소 사이의 두 반응이라도 매우 다른 속도로 매우 다른 양의 에너지를 방출할 수 있다는 실험의 두 번째 요점도 확인할 수 있다.

교육 목표

열량계 벤치 익히기

• 열량계, 교반기와 온도계 구멍이 있는 뚜껑, 저울, 메스실린더, 그리고 알약을 각각 식별하고, 각 실험 1회에서 그것이 어떤 역할을 하는지 설명하시오.
• 동일한 장치가 두 번 사용된다는 점을 인식하여, 용기의 결함이 두 실험 모두에 동일한 영향을 미치고 두 실험 값을 뺄 때 대부분 상쇄되도록 하라.

반복 측정을 깔끔하게 수행하기

• 실험 사이에 열량계를 비우고, 헹구고, 식힌 후, 두 번째 반응을 시작하기 전에 이 세 가지 단계가 각각 왜 필요한지 설명하시오.
• 가정하지 말고, 두 번째 실행이 첫 번째와 동일한 시작 온도에서 시작하는지 확인하십시오.

동일한 금속의 두 가지 반응

• Mg(s) + 2 HCl(aq) → MgCl₂(aq) + H₂(g)₂(수성) + H₂(g) 및 MgO(s) + 2 HCl(aq) → MgCl₂(수성) + H₂O(l), 그리고 제품의 공통점과 차이점이 무엇인지 확인하세요.
• 첫 번째 반응에서만 기체가 발생하는 이유와, 그것이 밀폐형 열량계 취급에 시사하는 바를 설명하시오.

열량 측정

• 지원하다 q = MCΔT 각 실행에 대해 수행하고 한계 반응물의 양으로 나누어 두 개의 몰 엔탈피를 구합니다.
• 계산에 의해 두 실험 모두 산이 과량으로 존재하여 금속과 산화물이 각 반응을 제한함을 보여라.

헤스의 법칙

• 헤스의 법칙을 서술하고, 두 가지 측정된 반응 및 물의 생성을 산화마그네슘의 생성과 연결하는 사이클을 나타내시오.
• 세 가지 엔탈피를 올바른 부호와 함께 결합하여 한 번도 수행된 적이 없는 반응의 값을 구하십시오.

요율과 에너지 비교

• 하나의 축 위에 두 개의 곡선을 읽고 도달한 높이와 상승의 가파름을 모두 비교하십시오.
• 여기서 더 발열 반응인 반응이 왜 더 빠른 반응이기도 한지 설명하고, 입자 크기, 용해도, 메커니즘 등 이를 가능하게 하는 요인들을 식별하십시오.

결과에 대한 비판적 평가

• 얻은 값을 산화마그네슘의 공표된 생성 엔탈피와 비교하고 그 차이를 백분율로 나타내십시오.
• 두 번의 실행 중 어느 쪽이 오차에 가장 크게 기여하는지 파악하고, 이를 줄이기 위해 무엇을 변경해야 하는지 밝히시오.

프로토콜

1. 1M 염산(HCl) 100mL를 눈금 실린더를 사용하여 측정하세요.
2. 눈금 실린더의 내용물을 열량계에 붓습니다.
3. 보온병 뚜껑을 닫으세요.
4. 온도계를 뚜껑 구멍에 삽입하십시오.
5. 작은 마그네슘(Mg) 리본 조각(약 0.5g)을 저울을 사용하여 무게를 잽니다.
6. 뚜껑을 열고 마그네슘 조각을 열량계에 넣은 후 가능한 한 빨리 닫습니다.
7. 타이머를 작동시켜.
8. 커버에 있는 녹색 버튼을 눌러 열량계 교반기를 작동시키십시오.
9. 결과 표에서 온도의 변화를 주의 깊게 관찰하십시오.
10. 약 3분 동안 또는 온도가 더 이상 올라가지 않을 때까지 기다리십시오.
11. 스톱워치를 멈추세요.
12. 리셋 버튼을 눌러 타이머를 재설정하십시오.
13. 빨간색 버튼을 눌러 교반기를 멈춥니다. 온도계를 제거한 다음 열량계 뚜껑을 제거합니다.
14. 칼로리미터의 액체 내용을 검은색 폐기물 용기에 붓습니다. 집게를 사용하여 마그네슘 리본 조각을 제거합니다.
15. 칼로리미터, 온도계, 교반기를 증류수로 헹구십시오.
16. 칼로리미터를 약 30초간 식힙니다.
17. 11단계까지 약 1g의 산화마그네슘 조각으로 단계를 반복합니다.

반응 속도가 10배 빨라져서 완전한 반응을 더 쉽게 관찰할 수 있습니다.

예상 결과

두 실험 모두 산을 데우고 약 3분 이내에 온도가 일정해지지만, 두 실험은 서로 다릅니다. 마그네슘 리본은 수소가 발생하면서 격렬하게 거품이 일고 온도가 급격히 상승하는 반면, 산화 마그네슘은 기체 발생 없이 조용히 녹으며 작고 완만한 온도 상승을 만들어냅니다. 태블릿의 그래프에는 두 실험이 함께 나타나는데, 금속은 위쪽 곡선으로, 산화물은 아래쪽 곡선으로 표시됩니다. 다음은 기준 실험 동안 시뮬레이션 자체의 온도계에서 측정된 판독값입니다.

실행	고체 추가됨	초기 T	결승전 T	ΔT	가스가 발생함
1부	마그네슘 리본, 약 0.5 g	22 °C	37 °C	15 °C	수소, 격렬한
2부	산화마그네슘, 약 1 g	22 °C	27 °C	5 °C	없음

두 반응 모두 산이 과량으로 존재하므로 고체 물질이 반응을 제한합니다. 1 mol/L 산 100 mL는 0.100 mol의 HCl입니다. 파트 1에서는 0.5 / 24.305 = 2.06 × 10을 사용합니다.^-2 마그네슘의 몰, 이것은 4.1 × 10을 소비합니다^-2 산의 몰 수; 파트 2는 1.00 / 40.30 = 2.48 × 10을 사용합니다^-2 산화마그네슘의 몰, 이것은 5.0 × 10을 소비합니다^-2 몰. 둘 다 산의 절반 이상이 반응하지 않은 상태로 남겨두는데, 이는 실험을 올바르게 설계하는 방법이다. 즉, 고체의 모든 입자가 용해되고 측정된 열이 알려진 물질의 양에 해당함을 보장한다.

각 온도 상승을 몰 엔탈피로 환산하기. 묽은 산 100 mL를 물의 비열 용량인 4.18 J g을 가진 100 g의 액체로 간주하여^-1 °C^-1:

단계	파트 1 — 마그네슘	제 2부 — 산화마그네슘
고체량, n = m/M	0.5 / 24.305 = 2.06 × 10-2 mol	1.00 / 40.30 = 2.48 × 10-2 mol
방출된 열, q = MCΔT	100 × 4.18 × 15 = 6.27 kJ	100 × 4.18 × 5 = 2.09 kJ
몰 엔탈피, ΔH = −q/n	−305 kJ/mol	−84 kJ/mol
이 페이지가 다루고 있는 핵심 가치	−440 kJ/mol	−150 kJ/mol
공시된 가치	−466.9 kJ/mol	−151.1 kJ/mol

헤스의 법칙, 바로 이것이 두 번의 실험을 하는 목적입니다. 측정된 두 가지 반응식과 물의 생성식을 쓰시오: (1) Mg(s) + 2 H⁺(수성) → 마그네슘²⁺(수성) + H₂(g), ΔH₁; (2) MgO(고체) + 2 H⁺(수성) → 마그네슘²⁺(수성) + H₂O(l), ΔH₂; (3) H₂(g) + ½ O₂(g) → H₂O(l), ΔH₃ = −285.8 kJ/mol. (2)식을 역산하여 (1)식과 (3)식에 더하면 마그네슘 이온, 양성자, 물 및 수소가 상쇄되고, Mg(s) + ½ O만 남게 된다.₂(g) → MgO(s). 따라서 ΔH_f(MgO) = ΔH₁ − ΔH₂ + ΔH₃. 발표된 엔탈피 값인 −466.9 − (−151.1) + (−285.8) = −601.6 kJ/mol이며, 이는 표에 기재된 산화마그네슘의 생성 엔탈피와 정확히 일치합니다. 즉, 사이클이 정확히 닫히며, 이것이 바로 실험실에서 재현하고자 하는 결과입니다.

왜 금속이 산화물보다 훨씬 뛰어난 성능을 보이는가. 두 반응 모두 동일한 수용성 마그네슘 이온으로 끝나므로, 이 둘의 차이는 전적으로 반응물의 차이에 기인합니다. 산화마그네슘에서는 마그네슘이 이미 산화된 상태입니다. 즉, 전자는 이미 방출되었고, MgO의 격자 에너지(약 −3795 kJ/mol)는 이미 방출되었으며, 산에 용해시키는 것은 산화물 이온을 두 개의 물 분자와 교환하는 것에 불과합니다. 마그네슘 금속의 경우, 두 개의 원자가 전자가 여전히 존재하여 이를 잃을 수 있으며, 산의 양성자에 이 전자를 내어주는 과정에서 에너지가 발생합니다. 산화물 반응은 산-염기 중화 반응이며, 금속 반응은 산화환원 반응입니다. 이것이 학생들이 꼭 기억해야 할 핵심 문장이며, 바로 이 때문에 그 차이가 몇 퍼센트가 아니라 3배나 되는 것입니다.

요율도 서로 다르며, 그 이유도 각기 다릅니다. 금속 곡선은 더 가파르게 상승하며 더 빨리 평탄기에 도달합니다. 여기에는 세 가지 요인이 작용합니다. 첫째, 금속 반응은 몰당 발열량이 더 크기 때문에 주변을 더 빠르게 가열하고, 아레니우스 계수가 유리하게 작용합니다; 리본 표면에 수소 기포가 형성되어 중요한 표면 부위의 액체를 교반함으로써 새로운 금속 표면을 지속적으로 노출시키고; 산화물은 “조각” 형태로 첨가되므로, 얇은 리본에 비해 그램당 표면적이 더 적습니다. 이 중 마지막 요인은 물질의 고유한 성질이 아니라 실험적 선택이라는 점에 유의해야 한다. 분쇄된 산화마그네슘은 덩어리보다 더 빠르게 반응할 것이며, 이는 실험 061과 062에서 다른 고체들에 대해 입증된 바와 정확히 일치한다. 따라서 학생들은 산화물이 본질적으로 더 느린 시약이라고 결론지어서는 안 된다.

학년별 과제 요약

9~10학년

집중 같은 원소의 두 발열 반응을 비교해 보자.

활동 각 실험의 시작 온도와 종료 온도를 기록하고, 두 온도의 상승폭을 밝히십시오. 두 반응을 문장으로 설명하되, 하나는 가스를 발생시키고 다른 하나는 그렇지 않다는 점을 언급하며, 눈을 감은 상태에서 이 두 반응을 어떻게 구별할 수 있는지 설명하십시오. 두 반응의 균형 방정식을 모두 작성하십시오. 태블릿의 그래프에 표시된 두 곡선을 읽고, 어느 반응에서 더 많은 에너지가 방출되었는지, 어느 반응이 더 빨리 끝났는지 설명하십시오. 두 번째 실험을 하기 전에 왜 열량계를 비우고, 헹구고, 식혀야 하는지, 그리고 그렇게 하지 않으면 어떤 문제가 발생할 수 있는지 설명하십시오.

11학년

집중 두 반응의 정량적 열량 측정 및 그 차이가 나는 이유.

활동 마그네슘과 산화마그네슘의 양을 계산하고, 사용 가능한 0.100 mol의 산과 비교하여 두 실험 모두에서 고체가 제한 요인임을 보여라. 적용 q = MCΔT 대치식을 명시하여 각 반응을 계산한 후, 두 반응의 몰 엔탈피를 구하십시오. 산화수를 바탕으로, 왜 금속이 산화물보다 몰당 약 3배 더 많은 에너지를 방출하는지 설명하고, 한 반응은 산화-환원 반응으로, 다른 반응은 중화 반응으로 분류하십시오. 제1부에서 생성된 수소의 부피를 계산하고, 밀폐된 열량계 내에서 이를 수행하는 것에 대해 논평하십시오.

12학년 / 대학교 수준

집중 헤스의 법칙, 오차 전파, 그리고 유도된 결과의 신뢰성.

활동 필요에 따라 각 방정식을 반대로 뒤집거나 그대로 유지하면서 3단계 순환 과정을 명시적으로 나타내고, 어떤 화학종이 소모되어 사라지는지 보여라. 측정된 값과 문헌에 제시된 값을 각각 사용하여 엔탈피들을 결합함으로써 산화마그네슘의 생성 엔탈피를 구하고, 두 값 모두를 도표에 제시된 -601.6 kJ/mol과 비교하라. 열량계의 열용량을 산출할 수 있는 보정 방법을 설계하라. 마지막으로, 이 순환 과정이 직접 측정할 수 없는 연소 엔탈피를 얻는 표준적인 방법이 되는 이유를 설명하고, 동일한 방식으로 얻어지는 다른 양을 하나 언급하라.

실험실 필수품

악기

• 단열 뚜껑, 온도계 연결구 및 내장형 교반기가 장착된 열량계 (녹색 버튼은 시작, 빨간색 버튼은 정지)
• 뚜껑을 통해 삽입하는 온도계 (섭씨 온도를 정수도로 표시)
• 전자 저울
• 산 측정용 100 mL 메스실린더
• 재설정 버튼이 있고, 각 실행마다 한 번씩 사용되는 타이머
• 반응하지 않은 리본을 열량계에서 들어 올리기 위한 집게
• 주걱
• 사용된 산과 세척액을 버리기 위한 비커(1000 mL) 및 검은색 회수용 통
• 증류수 세척병, 각 실험 회차 사이에 열량계, 온도계, 교반기를 헹구는 용도
• 태블릿, 프로토콜, 결과 표 및 시간에 따른 온도 그래프

제품

• HCl 1 mol/L (용액), 두 번의 실험 각각에 대해 100 mL
• 마그네슘 (리본), 약 0.5 g
• 산화마그네슘(조각), 약 1g
• 헹굼용 증류수