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마술 속의 과학

영상으로 보는 과학실험입니다.

물을 우유로 우유를 맥주로??


실험 목적


서로 다른 물질의 상호작용에 의해 새로운 물질이 나오는 실험을 해봄으로써 화학반응을 이해할 수 있다.




실험 재료

유리컵, 맥주잔, 비커, 탄산나트륨수용액, 염화칼슘, 황산




실험 방법







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실험 원리
화학반응 : 물질 그 자체 또는 다른 물질과의 상호작용에 의하여 다른 물질로 변하는 현상.
화학반응에서는 분자를 이루는 원자들의 재배치가 일어나며 화학결합이 파괴되고 생성된다.

▶탄산나트륨수용액 + 염화칼슘 -> 탄산염(흰색앙금)
▶탄산염(흰색앙금) +황 산 -> 이산화탄소(거품)







그 밖의 이야기

인류는 선사시대부터 제련·주조 등 여러 가지 화학반응을 이용해 왔으며, 값싼 금속에서 금을 만들려는 중세 연금술사들의 노력으로부터 화학반응의 기초를 이루는 지식이 축적되어 논리적이고 수학적인 현대의 화학으로 발전하였다. 인공적인 화학반응은 주로 의약품 ·플라스틱 등 유용한 물질의 합성과 연소에 의해 에너지를 얻는 데 사용되며 생체 내에서 일어나는 여러 가지 반응, 예를 들면 포도당의 산화, 단백질의 합성 등 생명체를 유지시키는 기능을 다한다.

 

 


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① 화학량론:화학반응의 정량적인 처리는 질량보존의법칙과 원자론에 토대를 두는 화학량론에서 출발한다. 가령, 탄소가 연소하여 이산화탄소가 되는 반응에서 탄소 12 g이 산소 32 g과 반응하여 44 g의 이산화탄소를 생성하게 된다. C (12 g)+O2 (32 g) → CO2(44 g) 이와 같은 반응식에서 반응 전후의 질량은 변하지 않으며, 반응에 의해 각각의 원자 수도 변하지 않는다.

② 에너지 보존의 법칙:화학반응에 있어서 반응물질과 생성물질의 에너지 차이에 의하여 열이 방출되기도 하고 주위로부터 반응계로 열이 흡수되기도 한다. 예를 들면 12 g의 탄소가 1 atm, 25 ℃에서 완전 연소할 때 94 kcal의 연소열이 발생한다. 화학반응에서 에너지 보존의 법칙은 열역학에 의해 체계화되었다. 이를 사용하여 특정 화학반응의 반응열을 계산할 수 있고, 반응의 가능성을 예측하고 반응조건을 조절할 수 있으며, 화학평형에 관한 정보를 얻을 수 있다.

③ 화학반응 속도론:화학반응의 속도에 영향을 미치는 요인으로는 반응물질의 농도, 반응계의 온도와 압력 등을 들 수 있다. 반응속도가 반응물질 농도의 n제곱에 비례할 때 이를 n차 반응이라고 한다. 예를 들면 다음의 N2O6의 분해반응은 1차 반응으로 그 속도는 N2O6의 농도(c)에 비례한다. 

 


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이로부터 반응시간에 따른 N2O6 농도의 변화는 c=coe-kt와 같이 얻어진다. 역으로 반응속도와 반응에관여하는 물질의 농도 간의 관계를 측정함으로써 반응의 차수를 결정할 수 있으며, 이로부터 반응메커니즘을 규명할 수 있다. 화학반응이 시작되기 위해서는 하나 또는 그 이상의 화학결합을 파괴하여야 하며, 따라서 반응물질은 어떤 최소한의 에너지 이상을 보유하고 있어야 한다. 이 최소한의 에너지를 반응의 활성화에너지라고 하며, 반응분자가 다른 분자들과의 충돌을 통해 얻는 에너지가 이를 초과할 때 반응이 일어날 수 있다. 활성화에너지의 크기는 반응마다 다르며, 속도 상수와 온도 및 활성화에너지 간의 가장 간단한 관계로는 아레니우스 방정식이 있다. k=Ae-Ea/RT 반응속도를 이론적으로 연구하기 위해서는 통계역학 및 양자역학이 필요하며, 예를 들면 아이링의 ‘전이상태이론’ 등을 들 수 있다.



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