북일고 화학실험 마이크로 몰 로켓(2조)

Micro Mole Rocket화학실험 2조

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1수소의 연소 반응을이해한다.

수소와 산소의 반응에서몰수비와 부피비 등화학 반응의 양적 관계를알 수 있다.

과학자들이 감각과 기구들을이용하여 관찰하고, 조건을통제하여 관찰 결과를 이끌어 낸다는 사실을 이해한다.

화학 반응의 한계 반응물을알 수 있으며 기체 반응의법칙을 확인할 수 있다.

실험목표

실험소개

수소, 수소의 연소반응, 연료전지

금속과 산의 반응 과산화수소 분해 반응

수소는주기율표의가장첫번째화학원소. 우주에서가장 흔하며가볍고무색을띤다.

수소기체는급격히 불에타는가연성을가진연료이며, 성냥불에대면폭발음이난다.

연료전지는 3차전지라고도불리우며, 수소와산소가반응시생성되는에너지를이용한다.

2차전지인배터리와의차이점이라면연료전지는발전기와같은장치고, 전력원으로사용

하려면연료를넣어야하며, 연료를넣기만하면 되므로충전시간이비교적빠르다.

수소, 수소의연소반응, 연료전지

2H2 g + O2 g → 2H2O l + 572KJ( 286KJ mol)

금속은일반적으로전자를버리려고하는 경향이커서산과의반응에서수소이온에전

자를주고금속은 양이온이된다. 금속이전자를잃고양이온이되려는경향을이온화

경향이라고한다.

이온화경향이크면전자를더 잘내놓고, 산화가잘 된다. 수소보다이온화경향이클

수록묽은산에서 수소기체를발생하기쉽다.

금속과산의반응

Zn s + 2HCl aq → ZnCl2 aq + H2(g)

𝐾 − 𝐶𝑎 − 𝑁𝑎 −𝑀𝑔 − 𝐴𝑙 − 𝒁𝒏 − 𝐹𝑒 − 𝐿 − 𝑆𝑛 − 𝑃𝑏 − 𝑯 − 𝐶𝑢 − 𝐻𝑔 − 𝐴𝑔 − 𝑃𝑡 − 𝐴𝑢

분해하는 방법에는 세가지종류(열 분해, 전기 분해, 촉매 분해)가 있다.

이 중 과산화수소 분해는촉매분해로, 실험에서는 촉매제로아이오딘화

칼륨(KI)을사용한다. 여기서아이오딘화 칼륨은반응속도를빠르게해

주는 정촉매의 역할을 한다.

과산화수소분해반응

2H2O2 𝑎𝑞 → 2H2O l + O2 g

실험기구

점화기

10mL 눈금실린더

고무마개

250mL 비커

시험관, 시험관대

일회용 피펫

실험 장갑

Pop-Test 반응 시 사용압전소자를 이용해 점화

기체포집벌브에 물을 넣을때 사용

눈금이 그어져 있어 액체의양을 측정할 때 사용

산소나 수소가 시험관 밖으로빠지는 것을 방지

산소나 수소를 포집할 때 사용

기체포집벌브와 로켓을 만드는데 사용

염산같은 위험한 시약이 손에닿는 것을 방지

과산화수소(H2O2)

밀도: 1.4𝑔/𝑐𝑚2분자량 ∶ 34𝑔/𝑚𝑜𝑙

녹는점 ∶ −11℃ 끓는점 ∶ 150.2℃

물에 산소원자가 하나 붙은 모양. 보통 고농도로 존재하지 않고

희석해서 사용.

강력한 산화력을 가지고 있어 탈색에 사용.

3~4%의 희석액은 소독액으로 사용하여 피 속의 카틸라아제와

반응하여 거품을 내며 활성산소를 생성해 세포벽을 산화시켜 파

괴하며 소독을 시킨다.

반응 후 물과 산소로 바뀌며 열을 내기 때문에 추진제의 연료로

쓰인다.

아연(Zn)

원자번호 30번으로, 생물의 물질 대사에 필요한 무기물이며, 지

각을 이루는 중요 원소.

보통 은과 카드뮴과 함께 산출되는 은광의 부산물 중 하나.

이번실험에서는수소를발생시키기위해염산과반응시키

는물질로사용된다.

𝐙𝐧 𝐬 + 2𝐻𝐶𝑙 𝑎𝑞 → 𝑍𝑛𝐶𝑙2 𝑎𝑞 + 𝐻2(𝑔)

염산(HCl)

염화수소산이라고도 하며, 대표적인 강산이다.

부식성이 있기 때문에 주의해서 다뤄야 한다.

염산은 금속을 부식시키는 데에 쓰이며, 이번 실험에서는 수소를

생성하는데 사용된다.

밀도: 1.18𝑔/𝑐𝑚2분자량 ∶ 36.46𝑔/𝑚𝑜𝑙

녹는점 ∶ −27.32℃ 끓는점 ∶ 110℃

Zn s + 2𝐇𝐂𝐥 aq → ZnCl2 aq + H2(g)

아이오딘화칼륨(KI)

아이오딘과 칼륨의 화합물로, 아이오딘 칼리라고도 한다. 무색,

백색의 결정 분말이고 냄새가 없으며, 물에 잘 녹는다.

햇볕을 쬐면 요오드가 유리되어 누렇게 된다.

이번 실험에서는 과산화수소 분해 반응 시 반응속도를 빠르게 해

주는 정촉매의 역할을 한다.

분자량 166.014𝑔/𝑚𝑜𝑙

녹는점 ∶ 723℃ 끓는점 ∶ 1330℃

2H2O2 aq −→ 2H2O l + O2 g

KI 촉매반응

1 기체포집장치

1. 1회용 스포이트를 잘라 중간부분은 버리고 기체전달관과

기체 포집벌브를 만든다. 이때 기체포집벌브의 길이는

같아야 한다.

2. 작은 시험관에 기체 전달관을 끼운 고무마개를 막는다.

3. 기체전달관을 기체포집벌브에 끼워기체를 포집한다.

2 기체발생반응장치

1. 두 실험관에 염산을 넣고 아연 네 조각 정도를 넣어 수소 발

생장치를 만든다.

2. 다른 두 시험관에 과산화수소를 15ml 정도를 넣고

요오드화칼륨 수용액(이스트액, 또는 망간조각)을 더하여

산소발생장치를 만든다.

3. 시험관대에 키친타월을 여러 장 깔고 시험관을 가만히

놓아둔다.

3 기체포집벌브에눈금그리기1. 250ml 비커에절반정도수돗물을받고기체포집벌브를비커 물

속에잠궈물로채운다.

2. 기체포집벌브속의물을 눈금실린더에부어기체포집벌브전체

부피를측정한다.

3. 기체포집벌브에물을채운뒤 전체부피의 1/6씩눈금실린더에

덜어내며네임펜으로벌브에눈금표시하는것을반복한다. 이와같

이기체포집벌브를 6등분하여표시한다.

4. 성냥개비를이용하여벌브눈금위치를표시한후 나머지벌브도

같은위치에표시하여시간을줄인다.

4 산소와수소의포집과 예비실험

1. 수소기체 발생시험관에 시험관 마개에서 1cm 남도록 3M 염산과 아연을 넣

어 기체를 발생시킨다.

2. 수소기체 포집벌브에 물을 가득 채워 기체전달관에 거꾸로 끼운다. 이 때 수

소기체가 발생하며 물이 흘러나오므로 시험관 바닥에 키친타월을 깐다.

3. 수소기체가 가득 모이면 손으로 입구를 막아 수소기체가 새지 않도록 한다.

4. 수소기체벌브의 입구가 위쪽을 향하게 한 뒤 성냥불을 붙여본다.

“pop-test”결과를 표에 기록한다.

5. 산소기체 발생시험관에 시험관 마개에서 1cm 남도록 3% 과산화수소와

효소액을 넣고 기체포집벌브를 씌워 산소기체를 포집한다.

6. 포집한 산소기체에도 불을 붙여보고 결과를 표에 기록한다.

5 산소와수소기체혼합물의예비실험

1. 벌브에 물을 가득 채우고 산소발생시험관에끼우고 1/6이 되도록 산소기체를

포집한 뒤 나머지는 수소기체로 가득 채운다. 산소와 수소의 부피비는 1:5이다.

2. 벌브를 뺀 뒤 손가락으로 막고 “pop-test”를 하여 폭발음의 크기를 순수 수

소기체의 소리와 비교하여 표에 기록한다.

3. 기체부피비로 기체포집을 한 뒤 연소실험을 하여 폭발음이 가장 큰 것을 10,

가장 작은 것은 0으로 하여 상대적인폭발음의 크기를 기록한다.

4. 산소와 수소의 연소를 위한 최적 비율을 찾기 위해 가능한 다양한 비율로 여러

번 실험한다.

5. 기체발생반응의 속도가 많이 느려지면 새로운 시험관으로 기체를 발생시켜

실험한다.

6 로켓발사

1. 가장 적절한 비율의 혼합기체를 벌브에 넣고 로켓 발사대에

장치한 뒤 압전기로 점화시킨다. 로켓이 얼마나 멀리

날아가는가?

2. 가장 적절한 비율의 혼합기체를 벌브에 담고 물을 1ml를 넣

은 뒤 로켓 발사대에 넣고 점화시킨다.

3. 로켓을 더 멀리 보낼 수 있는 다른 요소들을 찾아 시도해보자.

수소와산소의성질

수소 : 불에 닿으면 급속도로 타서 큰소리를 내는가연성을 띠고 있다.

산소 : 불씨를 살리는조연성을 띠고 있다.

산소만 있을 때 소리가 나지 않았다.

산소1수소5

산소2수소4

산소3수소3

산소4수소2

산소5수소1

산소와수소기체의 혼합비율실험 결과

물을거의안 남겼을때 소리는컸지만멀리날아가지못했다.

물을 1mL정도남겼을때 멀리날아갔다.

물을 2mL정도남겼을때 1mL보다더 멀리날아갔다.

각도는 30도정도에서가장 멀리날아갔다.

그결과평균 7~8m 정도로날아갔고,

8m, 30도로속도계산결과약 9.51m/s가 나왔다.

기타관찰한사항

토의

아연과염산의반응, 과산화수소의분해반응

Zn s + 2HCl aq → ZnCl2 aq + H2(g)

2H2O2 aq → 2H2O l + O2 g

수소의연소반응

2H2 g + O2 g → 2H2O l (∆H = −572KJ)

가장폭발적인혼합물의비율, 이유

실험결과수소:산소=4:2일 때 가장폭발적이었다.

이유는 수소:산소=2:1일 때 남기지않고 모두 반응하기 때문이다.

2H2 g + O2 g → 2H2O l (∆H = −572KJ)

산소와수소가혼합되자마자 폭발하지않는이유

산소와수소가반응하는데필요한최소에너지(활

성화에너지)가충족되지않았기때문이다.

로켓을 더멀리 날리려면?

로켓 앞쪽을 무겁게 하고, 로켓이 회전을 하게 함으로써외부 힘으로부터

방해 받지 않고 안정적으로로켓을 날릴 수 있도록 한다.

물의 양은 추진력과무게를고려해서 적정량을 남긴다.

모양은최대한 바람과공기의저항을줄일수있는 유선형으로제작한다.

각도는 다음 슬라이드와같다.

Height

Width

𝜃𝑣0

𝑊𝑖𝑑𝑡ℎ =𝑣02𝑠𝑖𝑛2𝜃

𝑔𝐻𝑒𝑖𝑔ℎ𝑡 =

(𝑣0𝑠𝑖𝑛𝜃)2

2𝑔

이론상으로는 45도일 때 Width값을크게 할 수 있지만, 공기저항에 의해 약 39도일 때 멀리 날아갈 수 있다.

하지만 천장 길이까지 고려한다면 천장의 높이를 2.5m일 때𝑣0𝑠𝑖𝑛𝜃=7이 될 때 천장에 닿지 않고 가장 멀리 날아갈 수 있다

고로 약 30도 정도에서 가장 멀리 날아갈 수 있다.

실험결과에대한고찰실험 결과 수소:산소=4:2일 때 가장폭발적이었으며, 그 이유는수소와

산소가 2:1의 비율로 반응해서 물을 생성하기때문이다.

그리고 로켓을 더 날리려면로켓 앞쪽을 무겁게 하고, 로켓이회전을 하

게 함으로써 외부 힘으로부터방해 받지 않고 안정적으로 로켓을 날릴 수

있도록 한며, 물의 양은 추진력과무게를 고려해서 적정량을남기고, 모

양은최대한바람과공기의저항을줄일수있는유선형으로제작하며,

각도는 39도가 적당하지만, 최대 높이가정해져 있으면, 그에 맞게 각도

를조절한다.