j044 1998 2207 - · pdf file순서로 환원 전위 차가 큰 금속끼리의 산화환원...

第 44回全國科學展覽會

(化學部門)

레이저를 이용한 산화-환원 반응 측정 장치

개발과 금속 석출에 관한 연구

所屬 : 慶南科學敎育院硏究士趙元來

馬山高等學校敎師朴洪梵


作品要約

(化學部門)





Ⅰ. 연구 동기 및 목적

고등 학교에서 산화-환원 반응은 금속의 이온화 경향과 환원 전위 차등의 이론적인

설명만으로 전개되어 있고 가시적인 산화-환원 반응의 장치가 학습 자료로 개발된 것

이 없어 학생들의 산화-환원의 개념의 형성에 어려움이 있었다. 또한 주변의 조건이

산화-환원 반응에 미치는 영향에 관해서는 전혀 언급된 바가 없다.

본 연구에서는 산화-환원 반응이 일어나는 반응 속도를 레이저를 이용하여 측정함

과 동시에 용액 중의 금속 이온이 환원되면서 석출되는 과정을 시각적으로 봄으로써

산화-환원 반응에 이해도를 높임과 동시에, 이 장치를 이용하여 산화-환원 반응의 개

념 확장과 금속 석출의 최적 조건을 찾아보고자 한다

Ⅱ. 실험 개요 및 측정 장치

실험 원리 및 실험 개요

전이 금속염들은 대부분 색깔을 가지고 있어 금속염 용액에 환원제(금속염의 금

속 이온 보다 이온화 경향이 큰 원소)를 넣어 줄 경우, 금속 이온이 환원되어 금속으

로 석출되면서 용액의 색깔이 묽어지는 경향이 있다. 이 용액에 단색광이 레이저 광

을 투사하여 투과량을 감지하여 전압의 변화로 검출하여 시간에 따른 변화량을 농도

로 환산하여 간접적인 방법에 의한 반응 속도를 측정하였다. 또한 반응 속도의 변화

추이로써 주변의 조건이 산화-환원 반응에 미치는 영향에 대해서도 고찰한다.

※ 개발한 실험 장치와 이를 이용한 실험 방법

구 리 염 ＋ 용 매 ＋ 환 원 제 ＋ 첨 가 제 → 구리 석출

⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓음이온 종

다른 염

극성 용매

무극성용매

혼합 용매

Mg

Al

Zn

전해질

비전해질

농도변화

조사

석출 결정

모양 조사

레이저전원 현미투영기전원

광원

레이저발생기

현미투영장치

금속판석출금속

광원 전원

12.05

D.C.

Photo TR

냉각팬

개발한 실험 장치를 이용한 실험 방법

(1) 용매에 구리 염을 녹여 0.5 M이 되게 한다.

(2) 25℃에서 이 용액을 셀에 넣은 후 실험 장치에 세팅 후 레이저의 투광도를

광센서를 이용하여 전압의 변화로써 농도 변화를 간접적으로 측정한다.

(3) 환원제를 담그고 시간 변화에 따른 반응 속도를 측정한다.

(4) 실험 데이터를 최소 자승법으로 기울기를 구하여 반응 속도를 예측한다.

(5) 반응 속도를 측정함과 동시에 환원되면서 석출되는 금속 이온의 석출 모양을

투영 장치를 통해 관찰한다.

※ UV-Visible Spectrophotometer 를 이용한 비교 실험 방법

(1) 용매에 구리 염을 녹여 0.05M이 되게 한다.

(2) 25℃에서 이 용액에 일정 시간별로 환원제를 담구어 반응시킨 후 용액을 원

심 분리시킨다.

(3) UV-Visible 분광기로 시간 변화에 따른 λmax에서의 흡광도를 측정한다.

(4) 흡광도를 농도로 환산하고, 이를 최소 자승법으로 기울기를 구하여 반응 속도

를 예측한다.

(5) 같은 조건의 반응을 슬라이드 글래스 위에서 진행시키면서 결정의 석출 과정

관찰과 동시에 사진 촬영을 실시한다.

Ⅲ. 실험 내용

금속 염을 고정하고 환원제를 변화시키면서 금속의 석출 효과 조사

환원제를 고정하고 금속 염의 음이온 종을 변화시키면서 석출 효과 조사

금속 염을 고정하고 용매를 변화시키면서 금속의 석출 효과 조사

금속 염과 용매를 고정시키고 첨가제를 변화시키면서 석출 효과 조사

주변 요인 변화에 따른 금속 석출 모양의 현미경 관찰과 촬영

Ⅳ. 실험 결과 및 고찰

환원제의 종류에 따른 금속의 석출 효과

<레이저 측정 장치 이용> < UV-Visible Spectrophotometer 이용>

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10시간

농도

MgAlZn

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

시간

농도

Mg 807.5nm

Al 807.5nm

Zn 807.5nm

• Mg 〉Al 〉Zn 순서로 환원 전위 차가 큰 금속끼리의 산화-환원 반응 속도가

빨라지는 것이 잘 관찰된다.

• Cor.coff.가 －1.0001～－0.99011로 직선성이 좋아 1차 반응으로 예상된다.

음이온 종의 종류에 따른 금속의 석출 효과


0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20시간

농도

CuCl2

Cu(NO3)2

CuSO4

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

시간

농도

CuCl2 793.5nm

Cu(NO3)2 793.9nm

CuSO4 793.5nm

•CuSO4 〉Cu(NO3)2 〉CuCl2 의 순서로 구리 석출이 빨라진다. 음이온의 전하가

클수록, 음이온의 크기가 작을수록 석출 속도가 느려지는 것으로 볼 때, 음이온

이 전하 밀도가 높을수록 구리 이온과 강하게 결합하는 것을 알 수 있었다.

•Cor.coff가 －0.99839～－0.99379 로 직선성이 좋아 1차 반응으로 예상된다.

용매의 종류에 따른 금속의 석출 효과


0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

시간

농도

H2O

EtOH

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

시간

농도

H2O 807.5nm

EtOH 793.5nm

DMF 805nm

DMSO 834.5nm

•H2O 〉EtOH 〉DMF 〉DMSO 순으로 구리의 석출이 빨라는 것은 DN 값이 커

질수록 공유 결합 특성이 증가하여 용해성 착이온을 형성하여 석출 속도가 느려

지는 것으로 예상된다.

•H2O, EtOH는 석출 속도와 유전 상수값이 커질수록 격자 에너지가 커져서 석출

속도가 빨라지는 것으로 설명될 수 있으나, 다른 용매들 사이에서는 구리의 석

출 속도와 유전 상수와의 상관 관계를 찾기는 곤란하다.

첨가제의 변화에 따른 금속의 석출 효과


0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

시간

농도

용매

KCl

NaCl

NH4Cl

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

시간

농도

용매 821nm

KCl 815nm

NACl 815nm

NH4Cl 815nm

•전해질 첨가 시 구리의 석출 속도가 느려지는 것은 구리의 용매화가 좋아져서

전자 이동을 방해하므로 써 구리의 석출 속도가 느려지는 것으로 예상된다.

첨가제의 변화에 따른 금속의 석출 효과

•용매 변화＋Zn • 용매＋환원제 변화 •결정 석출 표면

<H2O> <EtOH> <Mg> <Zn> <H2O+Zn> <EtOH+Zn>

•결정 석출 속도가 빠를수록 위스커스형보다 덴드라이트형의 모양으로 결정이 성

장됨을 볼 수 있다.

•같은 용매일지라도 환원제의 종류에 따라 결정의 성장 형태가 달라짐을 볼 수 있

다. (결정 성장 각은 같음)

Ⅴ. 결론 및 전망

1. 고등학교에서 이론적으로만 다루고 있는 금속의 산화-환원 반응을 시각적으로 보여

줌으로써 학습 효과를 극대화시킬 수 있다.

2. 대학이나 연구소에서 이용하고 있는 고가의 분광기를 모델화하여 이용함으로써 분

광기의 개념을 심어 줄 수 있는 저가의 고등학교의 실험 기구로 일반화 할 수 있다.

3. 산화-환원 반응에서의 금속 환원 조건을 수용액 중에서 뿐 아니라 유기 용매로 까

지 개념을 확장시키고, 여러 첨가제를 이용하여 조건을 변화하며 반응시킴으로써 금

속의 석출 속도가 단순히 전위 차에만 의존하지 않고, 금속의 종류 및 금속 염에 따

른 용액이 갖는 성질의 차이와 외부 조건의 영향에 의한 금속 석출 현상이 다양한 결

과를 나타내고 있음을 알 수 있게 되었다.


作品說明書

(化學部門)





- 3 -

목 차

Ⅰ. 연 구 동 기 ··············································································································4

Ⅱ. 연 구 목 적 ··············································································································4

Ⅲ. 연 구 기 간 ··············································································································5

Ⅳ. 연 구 내 용 ··············································································································5

1. 실험 장치의 개발 ································································································5

2. 실험 기구 ··············································································································5

3. 시약 ························································································································5

4. 실험 방법 및 실험 내용 ····················································································6

5. 실험 결과 및 고찰 ······························································································7

가) 환원제의 종류에 따른 금속 석출 효과 ····················································7

나) 음이온종에 종류에 따른 금속 석출 효과 ··············································10

다) 용매의 종류에 따른 금속 석출 효과 ······················································12

라) 첨가제 변화에 따른 금속 석출 효과 ······················································15

마) 주요 요인 변화에 따른 금속 석출 모양 ················································19

Ⅴ. 결론 및 전망 ············································································································21

Ⅵ. 참고 문헌 ··················································································································22

□ 부록 : 용매의 UV-Visible Spectrophoto.

- 4 -

◈ 레이저를 이용한 산화-환원 반응 측정 장치의 개발과 활용 ◈

－ 구리 이온을 중심으로

I. 연 구 동 기

고등 학교에서 산화-환원 반응은 공통 과학의 물질의 반응성 단원과 화학 에너지

단원 및 화학 부분의 화학 반응 단원에서 산화-환원 반응의 개념, 전기 분해 및 화학

전지의 반응 등으로 많은 부분을 차지하고 있으나, 이는 금속의 이온화 경향과 환원

전위 차등의 이론적인 설명만으로 전개되어 있고 가시적인 산화-환원 반응의 장치가

학습 자료로 개발된 것이 없어 학생들의 산화-환원의 개념의 형성에 어려움이 있었다.

또한 주변의 조건이 산화-환원 반응에 미치는 영향에 관해서는 전혀 언급된 바가

없고, 기존의 금속 석출 및 결정 성장에 관한 연구도 대부분 수용액 중에서의 실험으

로 국한되어 왔다.

본 연구에서는 산화-환원 반응이 일어나는 반응 속도를 레이저를 이용하여 측정함

과 동시에 용액 중의 금속 이온이 환원되면서 석출되는 과정을 시각적으로 봄으로써

산화-환원 반응에 이해도를 높임과 동시에, 이 장치를 이용하여 산화-환원 반응의 개

념 확장과 금속 석출의 최적 조건을 찾아 보자는 차원에서 여러 용액 중에서의 이온

반응 중 산화-환원 반응에 의한 금속의 석출 속도와 모양에 영향을 주는 주변의 여러

요인 및 그 요인의 영향의 조사 연구에 관심을 가지게 되었다.

II. 연 구 목 적

금속 석출 및 전착에 관한 문제는 공업적으로 여러 분야에서 다양하게 응용되어

지는 중요한 것으로 석출 상태 및 물리적 화학적 성질에 영향을 미치는 각종 인자에

관해서는 여러 방면으로 조사 연구되어 왔다.

본 연구의 목적은 고등학교 공통 과학과 화학 교과서의 산화-환원 반응에서의 금

속 석출 반응을 아울러 구리 착물염을 이용하여 금속염의 산화-환원 반응을 색깔 변

화로 나타내고, 금속 석출을 현미경 사진으로 가시화 함으로써 학습 효과를 증대시키

고, 산화-환원 반응의 개념 형성에 산화-환원의 조건을 수용액에서의 반응뿐 아니라

유기 용매로까지 개념을 확장시키고, 여러 첨가제를 이용하여 조건을 변화시켜 반응

시킴으로써 금속의 석출 속도가 단순히 전위 차에만 의존하는 것이 아니라 금속의 종

류 및 금속염에 따른 용액이 갖는 성질의 차이와 외부 조건의 영향에 의한 금속석출

현상이 다양한 결과를 나타내고 있음을 일깨우고자 한다.

- 5 -

III. 연 구 기 간

연번 추 진 내 용 시 기 추 진 방 법

1 주제 설정 및 문헌 조사 97. 10. 문헌 연구

2 이론 정립 및 자문 지도 요청 97. 11.문헌 연구 및자문인사 방문

3 실험 장치 개발 97. 12.실험 장치 설계 및 구성

4 예비 실험 97. 12.～98. 1. 개발 장치 이용

5 UV-Visible Sp. 실험 (비교 실험) 98. 1. ～98. 3. 실험 결과 비교

6 실험 결과 고찰 및 정리 98. 4. 실험 결과, 문헌

7 작품 보완 및 연구 보고서 작성 98. 5. ～98. 6. 자문 지도

IV. 연 구 내 용

1. 실험 장치 개발

가) 레이저 발생 장치 : 반도체 레이저

나) 시료 장치 : 유리, 석영 셀

다) 환원 석출 금속 관찰 장치 : 현미 투영기 ( 확대 : ×10 )

라) 레이저 검출 장치 : Photo TR

2. 실험 기구 (비교 실험)

가) UV-Visible Spectrophotometer (Shimadzu:UV-210A),

나) Spectronic 20(Smart 325)

다) Computer

라) Balance (Satorius)

마) pH meter (Suntax SP-31)

바) 현미경, 현미 촬영 장치

사) 항온조

아) 원심 분리기(Vision Scientific Co. VS-4000)

3. 시 약

가) 금속염 : CuCl2·2H2O, Cu(NO3)2·3H2O, CuSO4·5H2O

나) 환원제 : Mg, Al, Zn.

다) 용 매 : H2O, C2H5OH, H2O＋C2H5OH

라) 첨가제 : ◊전해질→ NaCl, KCl, NH4Cl, ◊비전해질→ Agar, Soap.

- 6 -

4. 실험 방법 및 실험 내용

가) 실험 원리 및 실험 개요

전이 금속염들은 대부분 색깔을 가지고 있어 금속염 용액에 환원제(금속염의 금

속 이온 보다 이온화 경향이 큰 원소)를 넣어 줄 경우, 금속 이온이 환원되어 금속으

로 석출되면서 용액의 색깔이 묽어지는 경향이 있다. 이 용액에 단색광이 레이저 광

을 투사하여 투과량을 감지하여 전압의 변화로 검출하여 시간에 따른 변화량을 농도

로 환산하여 간접적인 방법에 의한 반응 속도를 측정하였다. 또한 반응 속도의 변화

추이로써 주변의 조건이 산화-환원 반응에 미치는 영향에 대해서도 고찰한다.

※ 개발한 실험 장치와 이를 이용한 실험 방법

구 리 염 ＋ 용 매 ＋ 환 원 제 ＋ 첨 가 제 → 구리 석출

⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓ ⇓음이온 종

다른 염

극성 용매

무극성용매

혼합 용매

Mg

Al

Zn

전해질

비전해질

농도변화

조사

석출 결정

모양 조사

레이저전원 현미투영기전원

광원

레이저발생기

현미투영장치

금속판석출금속

광원 전원

12.05

D.C.

Photo TR

냉각팬

나) 개발 장치를 이용한 실험 방법

(1) 용매에 구리염을 녹여 0.5 M이 되게한다.

(2) 25℃에서 이 용액을 셀에 넣은 후 실험 장치에 세팅 후 레이저의 투광도를

광센서를 이용하여 전압의 변화로써 농도 변화를 간접적으로 측정한다.

(3) 환원제를 담구고 시간 변화에 따른 반응 속도를 측정한다.

(4) 실험 데이터를 최소 자승법으로 기울기를 구하여 반응 속도를 예측한다.

(5) 반응 속도를 측정함과 동시에 환원되면서 석출되는 금속 이온의 석출 모양

을 투영 장치를 통해 관찰한다.

- 7 -

다) UV-Visible Spectrophotometer 를 이용한 비교 실험 방법

(1) 용매에 구리염을 녹여 0.05M이 되게한다.

(2) 25℃에서 이 용액에 일정 시간별로 환원제를 담구어 반응시킨 후 용액을

원심 분리 시킨다.

(3) UV-Visible 분광기로 시간 변화에 따른 λmax에서의 흡광도를 측정한다.

(4) 흡광도를 농도로 환산하고, 이를 최소 자승법으로 기울기를 구하여 반응

속도를 예측한다.

(5) 같은 조건의 반응을 슬라이드 글래스 위에서 진행시키면서 결정의 석출

과정 관찰과 동시에 사진 촬영을 실시한다.

라) 실험 내용

(1) 금속염을 고정하고 환원제를 변화시키면서 금속의 석출 효과 조사

→ 0.5M Cu(NO3)2 ＋ H2O ＋ Mg, Al, Zn

(2) 환원제를 고정하고 금속염의 음이온 종을 변화시키면서 석출 효과 조사

→ 0.5M CuCl2 ＋ EtOH ＋ Zn

→ 0.5M Cu(NO3)2 ＋ EtOH ＋ Zn

→ 0.5M CuSO4 ＋ EtOH ＋ Zn

(3) 금속염을 고정하고 용매를 변화시키면서 금속의 석출 효과 조사

→ 0.5M Cu(NO3)2 ＋ Mg ＋ H2O, C2H5OH, EtOH+H2O

(4) 금속염과 용매를 고정시키고 첨가제를 변화시키면서 석출 효과 조사

→ 0.5M Cu(NO3)2 ＋ (EtOH+H2O) ＋ Mg ＋ 첨가제

ㄱ) 첨가제 1 : 전해질 → NaCl, KCl, NH4Cl,

ㄴ) 첨가제 2 : 비전해질 → Agar, Soap.

(5) 주변 요인 변화에 따른 금속 석출 모양의 현미경 관찰과 촬영

5. 실험 결과 및 고찰

가) 환원제의 종류에 따른 금속의 석출 효과

Cu(NO3)2 ＋ H2O ＋ 환 원 제 → 반응속도 측정

0.5M 3.0×30.0㎜ (Mg, Al, Zn) 석출모양 관찰

- 8 -

(1) 실험 방법

ㄱ) 25℃에서 Cu(NO3)2 24.160 g (0.1 mol)을 용매 H2O에 녹여 200㎖가 되

게 하여 0.5 M의 용액을 만든다.

ㄴ) 용액을 셀에 넣은 후 실험 장치에 세팅한 후 레이저의 투광률을 측정한다.

ㄷ) 환원제(Mg) 조각을 담구고 시간 변화에 따른 레이저의 투광률로 반응 속

도를 측정한다.

ㄹ) 반응 속도를 측정함과 동시에 환원되면서 석출되는 금속 이온의 석출 모

양을 투영 장치를 통해 관찰한다.

→ Al, Zn도 같은 방법으로 실시한다.

※ 비교 실험

25℃에서 Cu(NO3)2 3.0200 g (0.0125 mol)을 용매 H2O에 녹여 250㎖가 되게

한 후 (0.05M), 25㎖씩 10개의 시험관에 넣고, 각각에 정해진 시간 동안 환원제

(Mg)를 담구었다가 끄집어 낸 후, 이 용액을 원심 분리하여 UV-Visible

Spectrophotometer로 최대 흡수 파장(λmax)에서 흡광도 측정.

→ Al, Zn도 같은 방법으로 실시한다.

(2) 실험 결과

【표1】 환원제의 종류에 따른 농도의 변화


환원제

시간(분)Mg Al Zn

0 0.050 0.050 0.050

1 0.049 0.049 0.049

2 0.043 0.048 0.049

3 0.036 0.046 0.049

4 0.028 0.044 0.048

5 0.020 0.043 0.048

6 0.015 0.039 0.047

7 0.015 0.037 0.046

8 0.013 0.036 0.045

9 0.010 0.034 0.044

10 0.010 0.031 0.044

환원제

시간 λmax(분)

Mg Al Zn

807.5 nm 807.5 nm 807.5 nm

0 0.050 0.050 0.050

1 0.049 0.049 0.049

2 0.040 0.047 0.049

3 0.030 0.045 0.049

4 0.024 0.042 0.049

5 0.019 0.040 0.048

6 0.015 0.038 0.047

7 0.013 0.035 0.047

8 0.011 0.033 0.046

9 0.009 0.031 0.046

10 0.008 0.029 0.045

- 9 -

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

시간

농

도

MgAlZn

【그림1-1】환원제의 종류에 따른 농도 변화 (레이저 장치)

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

시간

농도

Mg 807.5nm

Al 807.5nm

Zn 807.5nm

【그림1-2】환원제의 종류에 따른 농도 변화 (UV-Visible 장치)

- 10 -

(3) 실험의 고찰

ㄱ) 그래프 해석

구 분

환 원 제기 울 기 Cor.coff

Mg －0.00760 －0.99011

Al －0.00230 －0.99716

Zn －0.00100 －1.00001

ㄴ) Mg 〉Al 〉Zn 순서로 구리 석출이 좋아진다.

ㄷ) 환원 전위 차가 큰 금속끼리의 산화-환원 반응 속도가 빨라지는 것이 잘

관찰 된다.

ㄹ) Cor.coff.가 －1.0001～－0.99011로 직선성이 좋아 1차 반응으로 예상된다.

나) 음이온 종의 종류에 따른 금속의 석출 효과

Cu(NO3)2 ＋ EtOH ＋ Mg → 반응속도측정

0.5M 3.0×30.0㎜ 석출모양 관찰

(1) 실험 방법

ㄱ) 25℃에서 Cu(NO3)2 24.16 g (0.10 mol)을 용매 EtOH에 녹여 200㎖가

되게 하여 0.5 M의 용액을 만든다.


ㄷ) 환원제(Mg) 조각을 담구고 시간 변화에 따른 레이저의 투광률로 농도 변

화를 측정한다.



→ 구리염을 CuCl2, CuSO4 로 바꾸어 같은 방법으로 실시.

※ 비교 실험

25℃에서 Cu(NO3)2 3.0200 g (0.0125 mol)을 용매 C2H5OH 에 녹여 250㎖가

되게 한 후 (0.05M), 25㎖씩 10개의 시험관에 넣고, 각각 정해진 시간동안 환

원제(Mg)를 담구었다가 끄집어 낸 후, 이 용액을 원심 분리하여 UV-Visible

Spectrophotometer를 이용하여 최대 흡수 파장(λmax)에서 흡광도 측정.

→ 구리염을 CuCl2, CuSO4 로 바꾸어 같은 방법으로 실시.

- 11 -

(2) 실험 결과

【표2】 음이온 종의 종류에 따른 농도 변화 (용매 : EtOH)


구리염

시간(분)

CuCl2 Cu(NO3)2 CuSO4

0 0.050 0.050 0.050

2 0.049 0.049 0.047

4 0.048 0.047 0.043

6 0.046 0.043 0.036

8 0.044 0.041 0.032

10 0.042 0.036 0.025

12 0.040 0.035 0.024

14 0.039 0.030 0.021

16 0.037 0.024 0.020

18 0.034 0.020 0.019

20 0.032 0.019 0.019

구리염

λmax

시간(분)

CuCl2 Cu(NO3)2 CuSO4

793.5nm 793.5nm 793.5nm

0 0.050 0.050 0.050

2 0.049 0.049 0.048

4 0.047 0.045 0.041

6 0.043 0.040 0.034

8 0.042 0.035 0.029

10 0.040 0.029 0.026

12 0.038 0.025 0.023

14 0.036 0.023 0.021

16 0.034 0.020 0.020

18 0.032 0.018 0.018

20 0.030 0.016 0.016

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

시간

농도

CuCl2

Cu(NO3)2

CuSO4

【그림2-1】음이온 종에 따른 농도 변화 (레이저 장치)

- 12 -

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

시간

농도

CuCl2 793.5nm

Cu(NO3)2 793.9nm

CuSO4 793.5nm

【그림2-2】음이온 종에 따른 농도 변화 (UV-Visible 장치)



용 매 구 리 염 기 울 기 Cor.coff

EtOH

CuCl2 －0.00230 －0.99253

Cu(NO3)2 －0.00500 －0.99761

CuSO4 －0.00563 －0.99810

ㄴ) CuSO4 〉Cu(NO3)2 〉CuCl2 의 순서로 구리 석출이 빨라진다. 이는 이온의

크기와 전하의 차이에 의한 것으로 예상된다.

ㄷ) Cor.coff 가 －0.99839 ～－0.99379 로 비교적 직선성이 좋아 1차 반응으로

예상된다.

다) 용매의 종류에 따른 금속의 석출 효과

Cu(NO3)2 ＋ 용 매 ＋ 환원제 → 반응속도 측정

0.5M 3.0×30.0㎜ 석출모양 관찰

- 13 -

(1) 실험 방법


게 하여 0.5 M의 용액을 만든다.






※ 비교 실험

25℃에서 Cu(NO3)2 3.0200g (0.0125 mol)을 선택된 용매에 녹여 250㎖가 되게

한 후(0.05M), 25㎖씩 10개의 시험관에 넣고, 각각 정해진 시간동안 환원제(Mg)

를 담구었다가 끄집어 낸 후, 이 용액을 원심 분리하여 UV-Visible Spectrophoto-

meter 를 이용하여 최대 흡수 파장(λmax)에서 흡광도 측정.

【표3】 용매 변화에 따른 농도 변화 (환원제 : Mg)


H2O EtOH

0 0.050 0.050

1 0.049 0.050

2 0.043 0.050

3 0.036 0.050

4 0.028 0.048

5 0.020 0.047

6 0.015 0.044

7 0.015 0.043

8 0.013 0.040

9 0.010 0.038

10 0.010 0.037

H2O EtOH DMF DMSO

807.5 nm 793.5 nm 805 nm 834.5 nm

0 0.050 0.050 0.050 0.050

1 0.049 0.050 0.050 0.050

2 0.040 0.050 0.049 0.050

3 0.030 0.049 0.048 0.050

4 0.024 0.047 0.045 0.049

5 0.019 0.045 0.042 0.048

6 0.015 0.043 0.040 0.046

7 0.013 0.041 0.038 0.044

8 0.011 0.039 0.035 0.042

9 0.009 0.037 0.032 0.040

10 0.008 0.035 0.029 0.038

- 14 -

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

시간

농도

H2O

EtOH

【그림3-1】용매 변화에 따른 농도 변화 (레이저 장치)

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

시간

농도

H2O 807.5nm

EtOH 793.5nm

DMF 805nm

DMSO 834.5nm

【그림3-2】용매 변화에 따른 농도 변화 (UV-Visible 장치)

- 15 -



용 매 기 울 기 DN ε

H2O －0.00537 18 82

EtOH －0.00223 20 24.6

DMF －0.00169 26.6 36.7

DMSO －0.00118 29.8 47

ㄴ) H2O 〉EtOH 〉DMF 〉DMSO 순으로 구리의 석출이 빨라짐.

ㄷ) DN 값이 커질수록 공유 결합 특성이 증가하여 용해성 착이온을 형성하

므로써 석출 속도가 느려지는 것으로 예상됨.

ㄹ) H2O, EtOH 는 석출 속도와 유전 상수가 비례하여, 유전 상수값이 커질수

록 격자 에너지가 커져서 석출 속도가 빨라지는 것으로 설명될 수 있으

나, 다른 용매들 사이에서는 구리의 석출 속도와 유전 상수와의 상관 관

계를 찾기는 곤란하다.

라) 첨가제의 변화에 따른 금속의 석출 효과

Cu(NO3)2 ＋ EtOH＋H20 ＋ Mg ＋ 첨가제 → 반응속도측정

0.5M 3.0×30.0㎜ 0.05 mol 석출모양 관찰

(1) 실험 방법


게 하여 0.5 M의 용액을 만든 후, 0.05 mol의 첨가제를 녹인다.






※ 비교 실험

25℃에서 Cu(NO3)2 3.0200g (0.0125 mol)을 혼합 용매에 녹여 250㎖가 되게

하고, 0.05 mol의 첨가제를 가하여 녹인 후, 25㎖씩 10개의 시험관에 넣고, 각각

정해진 시간동안 환원제(Mg)를 담구었다가 끄집어 낸 후, 이 용액을 원심 분리

하여 UV-Visible Spectrophotometer 를 이용하여 최대 흡수 파장(λmax)에서 흡광도

측정.

- 16 -

전해질의 첨가

【표4】 첨가제 변화에 따른 농도 변화


용매 KCl NaCl NH4Cl

0 0.050 0.050 0.050 0.050

1 0.050 0.049 0.049 0.050

2 0.049 0.049 0.048 0.049

3 0.046 0.047 0.046 0.047

4 0.041 0.044 0.044 0.044

5 0.035 0.035 0.042 0.042

6 0.031 0.035 0.038 0.038

7 0.025 0.030 0.033 0.034

8 0.020 0.025 0.027 0.030

9 0.016 0.020 0.025 0.026

10 0.012 0.014 0.019 0.022

용매 KCl NaCl NH4Cl

821nm 815nm 815nm 815nm

0 0.050 0.050 0.050 0.050

1 0.050 0.050 0.049 0.050

2 0.047 0.049 0.046 0.048

3 0.040 0.047 0.044 0.046

4 0.032 0.042 0.039 0.041

5 0.028 0.038 0.035 0.036

6 0.023 0.033 0.032 0.032

7 0.018 0.028 0.028 0.029

8 0.014 0.024 0.026 0.025

9 0.011 0.019 0.022 0.022

10 0.009 0.014 0.019 0.020

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

시간

농도

용매

KCl

NaCl

NH4Cl

【그림4-1】첨가제(전해질) 변화에 따른 농도 변화 (레이저 장치)

- 17 -

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

시간

농도

용매 821nm

KCl 815nm

NACl 815nm

NH4Cl 815nm

【그림4-2】첨가제(전해질) 변화에 따른 농도 변화 (UV-Visible 장치)

비전해질의 첨가

【표5】 첨가제 변화에 따른 농도 변화 (비전해질)

용매(H2O＋EtOH) Agar Soap

821 nm 793.5 nm 782.5 nm

0 0.050 0.050 0.050

3 0.040 0.050 0.050

5 0.028 0.046 0.050

7 0.018 0.041 0.045

9 0.011 0.037 0.044

11 0.007 0.032 0.043

13 0.004 0.029 0.042

15 0.004 0.026 0.041

17 0.002 0.023 0.040

19 0.001 0.017 0.038

- 18 -

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0 3 5 7 9 11 13 15 17 19

시간

농도

용매(H2O+EtOH) 821nm

Agar 793.5nm

Soap 782.5nm

【그림4-3】첨가제(비전해질) 변화에 따른 농도 변화 (UV-Visible 장치)


전해질


구 분

첨가제기 울 기 Cor.coff

용 매 －0.00530 －0.99313

KCl －0.00470 －0.99933

NaCl －0.00390 －0.99641

NH4Cl －0.00430 －0.99490

MgCl2 －0.00460 －0.99717

CaCl2 －0.00430 －0.99490

ㄴ) 전해질 첨가 시 구리의 석출 속도가 느려진다.

ㄷ) 전해질 첨가 시 구리의 용매화가 좋아져서 전자 이동을 방해하므로써 구

리의 석출 속도가 느려지는 것으로 예상된다.

ㄹ) 환원제가 Mg가 아닌 Al의 경우도 동일한 현상을 나타낸다.

- 19 -

비전해질


구 분

첨가제기 울 기 Cor.coff

용 매 －0.00530 －0.99313

Agar －0.00230 －0.99766

Soap －0.00190 －0.99967

ㄴ) Agar를 가할 시 용액의 점성이 커져서 이온의 이동과 전자 이동이 느려

져 구리의 석출 속도가 느려지는 것으로 예상된다.

ㄷ) Soap를 가할 시 친유성기와 친수성기의 영향으로 미셸 현상이 나타나 구

리 이온을 둘러 싸게 되어 이온의 이동 속도가 느려 구리의 석출 속도가

느려지는 것으로 예상된다.

마) 주변 요인 변화에 따른 금속 석출의 모양

Cu(NO3)2 ＋ 용 매 ＋ 환원제 → 현미경 촬영

0.5M

(1) 석출 금속의 사진 촬영 방법


게 하여 0.5 M의 용액을 만들어 용액을 셀에 넣은 후 실험 장치에 세팅한

후, 환원제 조각을 담구고 시간 변화에 따라 환원되면서 석출되는 금속 이

온의 석출 모양을 투영 장치를 통해 관찰하며 사진 촬영을 함.

ㄴ) 25℃에서 Cu(NO3)2 2.416 g (0.01 mol)을 용매에 녹여 20㎖가 되게 한 후

(0.5M), 환원제 조각을 놓은 슬라이드 글래스 위에 용매를 한방울 떨어뜨

린 후 현미경 사진 촬영을 함.

용매 변화 ＋ 환원제 고정(Zn)

< H2O > < EtOH >

- 20 -

용매 고정(EtOH) ＋ 환원제 변화

< Mg > < Zn >

결정 석출 표면

< H2O＋Zn > < EtOH＋Zn >


ㄱ) 결정 석출 속도가 빠를수록 위스커스 형보다 덴드라이트 형의 모양으로

결정이 성장됨을 볼 수 있다.

ㄴ) 25℃ 에서 환원제 Mg를 사용할 시 MeCN, MeOH 등의 결정 성장 모양은

덴드라이트 형이고, EtOH, DMF, DMSO 등에서는 위스커스 형으로 결정

이 성장함을 잘 관찰 할 수 있다.

ㄷ) 같은 용매일지라도 환원제의 종류에 따라 결정의 성장 형태가 달라짐을

볼 수 있다. (결정 성장각은 같음)

- 21 -

V. 결 론 및 전 망

1. 고등학교에서 이론적으로만 다루고 있는 금속의 산화-환원 반응을 시각적으로 보

여줌으로써 학습 효과를 극대화 시킬 수 있다.

2. 대학이나 연구소에서 이용하고 있는 고가의 분광기를 모델화하여 이용함으로써

분광기의 개념을 심어 줄 수 있는 저가의 고등학교의 실험 기구로 일반화 할 수

있다.

3. 산화-환원 반응에서의 금속 환원 조건을 수용액 중에서 뿐 아니라 유기 용매로

까지 개념을 확장시키고, 여러 첨가제를 이용하여 조건을 변화하며 반응시킴으

로써 금속의 석출 속도가 단순히 전위 차에만 의존하지 않음을 일깨우고 화학

반응의 다양함을 알 수 있게 되었다.

4. 환원제의 환원 전위 값이 낮을수록 석출 속도가 빠르며, 석출 모양은 뭉쳐진 모

양인 덴드라이트 형이다.

5. 음이온의 전하가 클수록, 음이온의 크기가 작을수록 석출 속도가 느려지는 것으

로 볼 때, 음이온이 전하 밀도가 높을수록 구리 이온과 강하게 결합하는 것을 확

인 할 수 있었다..

6. 구리의 석출 속도는 대체로 용매의 ε값보다는 DN값에 반비례하는 경향이 있다.

이는 구리 착물의 공유 결합 특성을 잘 설명해 준다.

7. DN값이 커질수록 공유 결합 특성이 증가하여 용해성 착이온을 형성하므로써 석

출 속도가 느려지는 것으로 예상된다.

8. 첨가제로 전해질인 염을 첨가했을 시 구리의 석출 속도가 느려짐을 볼 수 있다.

이는 염의 첨가 시 구리 이온의 용매화가 좋아져서 전자의 이동을 방해하므로 석

출 속도가 느려지는 것으로 예상된다.

9. 결정 성장의 모양은 석출 속도가 빠를수록 위스커스형보다 덴드라이트형으로 나

타난다.

- 22 -

VI. 참 고 문 헌

1. 박면용 외 1인 공역, 무기화학 3, 자유아카데미, 1987.

2. 김재원 역, 이론 전기화학, 문운당, 1989.

3. 정태명 외 공역, 일반 화학, 희문당, 1989.

4. 이익춘 외 1인 공역, 화학 반응 속도론, 탐구당, 1981.

5. 이화학 대사전, 법경 출판사, 1986.

6. 신윤경, 정량 분석, 동명사, 1987.

7. 박기채 외 3인 공역, Principles of Instrumental Analysis, 탐구당, 1982.

8. Gutman, Victor, The Donor-Accepter Approach to Molecular Interaction, Plenum

pub., 1978.

9. F.A.Cotton ＆ Wilknson, Advance Inorganic Chemistry, A Wiley-Interscience

Pub.,1988.

10. C. Kitton, Introduction to solid state physics, 5th edition, 1976.

11. Huheey, Inorganic Chemistry, Harper ＆ Row pub., 1978.

- 23 -

j044 1998 2207 - · pdf file순서로 환원 전위 차가 큰 금속끼리의 산화환원...

Documents