화학 평형 및 반응 속도 개념을 정립하기 위한 에스테르화 반응의 응용 : 고등학교 영재학급 화학 실험에 대한 제안|RISS 상세보기

국문 초록 (Abstract)

고등학교 화학Ⅱ 교과서에 제시되어 있는 농도에 따른 화학 평형 실험은결과가 나타나는 시간이 짧고 그 변화가 색깔이나, 앙금이 생기는 등의 눈으로 정성적인 확인만이 가능한 실험들이 수록되어 있었다. 이러한 실험들은 두 지의 문제점이 있다.
그 첫째는 이러한 정성적인 색의 변화 실험으로는 화학 평형에 대한 평형 상수의 개념을 확립하기 어렵다는 것이다.
둘째는 화학 평형과 반응 속도를 연관 지어 학습하게 되면 화학 반응을 전체적으로 이해할 수 있으나 현재는 평형 상태와 반응 속도를 별개의 것으로 인식하게 한다는 것이다.
이러한 문제점을 보완하기 위하여 에스테르화 반응을 기본으로 하여 실험을 제안하였다.
1) 에스테르화 반응은 전체 메커니즘이 가역과정이므로 반응을 통하여 평형 상수를 결정할 수 있다.
2) 반응 속도에 미치는 촉매의 영향 : 반응 물질과 온도의 조건을 같게 하며 촉매를 넣은 경우와 촉매를 넣지 않는 경우 반응의 진행 정도를 비교한다. 촉매를 넣은 경우는 생성물의 생성량이 넣지 않은 경우 보다 많고 반응 지수도 더 크게 나타나므로 촉매가 반응 속도를 증가시키며 평형에 도달하는 시간을 단축시키는 것을 확인할 수 있다.
3) 에스테르화 반응을 위하여 반응 물질로 4-브로모벤조산과 메탄올을 선택하였다. 이는 4-브로모벤조산이 고체로서 질량을 정확하게 측정하기에 적절하기 때문이다. 실험에서 진한 황산은 촉매로 쓰이게 된다. 반응 물질인 4-브로모벤조산의 농도를 일정하게 유지하며 메탄올의 농도를 변화시켜가면서 생성 물질인 에스테르의 생성량이 많아지는 것을 정량적으로 확인하게 된다.
4) 르 샤틀리에의 원리 확인 : 메탄올의 농도가 커지면 반응 지수가 커지게 되며 정반응 쪽으로 평형이 이동하게 되어 생성 물질의 양이 많아지게 된다. 즉 평형 이동에 대한 르 샤틀리에의 원리를 정량적으로 확인할 수 있다.
5) 학생들과 같이 실험을 수행한 결과 화학 평형에서 반응 물질의 농도와 평형 이동의 관계를 이해하는데 이 실험은 도움이 되었다.
실험의 장점은 다음과 같다. 첫째는 평형 이동을 정성적, 정량적 두 가지 방법으로 모두 확인이 가능하다는 것이다.
얇은 막 크로마토그래피를 실험 도중에 하면서 반응 진행정도를 확인할 때 메탄올의 농도가 큰 쪽이 작은 쪽에 비하여 크로마토그래피의 분석 결과가 확연히 다르게 나타나므로 평형 이동을 정성적으로 확인하게 된다. 그 후 최종 분리 결과 반응 지수를 통하여 정량적으로 평형 이동을 다시 확인하게 된다.
둘째는 촉매의 역할을 폭 넓게 이해하게 된다. 반응 속도를 빠르게 해주는 역할을 한다는 것에서 평형 상태에 도달하는 시간을 단축시키는 역할을 하는 것으로 이해하게 된다. 즉 반응 속도의 개념과 화학 평형의 개념이 연결되어 화학 반응을 전체적으로 이해하게 된다.
셋째는 실험에 나오는 내용이 화학의 다른 단원과 연계되어 있으며 화학 교과에 대한 깊은 이해와 실험하는 과정에서 과학적 소양을 기르게 해주게 된다.

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고등학교 화학Ⅱ 교과서에 제시되어 있는 농도에 따른 화학 평형 실험은결과가 나타나는 시간이 짧고 그 변화가 색깔이나, 앙금이 생기는 등의 눈으로 정성적인 확인만이 가능한 실험들이 ...