[물리 화학 실험] 초산에틸의 검화 반응 예비 보고서

 

 

초산에틸의 검화 반응

황정현, 박기훈, 전국진, 유상일

금오공과대학교 고분자공학과 물리화학실험 야간2조

실험 목적

1. 초산에틸의 알칼리수용액 중에서 가수분해 반응이 2차 반응인가를 알아본다.

    -가수분해 반응의 반응식을 알아본다.

2. 반응에 대한 속도상수를 상이한 온도에서 측정하여 반응의 활성화 에너지를 계산한다.

    -반응속도식을 이용하여 변수에 따른 반응속도를 계산한다.

이론적 배경

1.가수분해

금속염은 대부분 수용액 내에서 물과 반응하여 이온성분이 다른 이온 또는 분자로 변한다. 그 결과 대개의 경우 수소이온 또는 수산(水酸)이온이 생겨 산성 또는 알칼리성이 되는데, 그 세기는 성분인 산 또는 염기의 세기와 관계가 있다. 예를 들면, 강한 산과 강한 염기로 이루어지는 염(염화나트륨·질산칼륨 등)은 거의 가수분해를 일으키지 않지만, 약한산과 강한 염기로 이루어지는 염(탄산나트륨·사이안화칼륨 등)이나 강한 산과 약한 염기로 이루어지는 염(황산나트륨·황산알루미늄 등)은 물에 의하여 원래의 산과 염기로 분해된다.

유기화합물, 즉 굳기름·산무수물·산염화물·산아마이드·단백질·펩티드·할로젠화알킬·아세탈·에테르·녹말·당·셀룰로스 등의 경우는 구성 성분으로 분해하거나 분자의 형식이 변하는 경우가 있다.

예를 들어, 에스터에서는

 

와 같이 된다. 이들 유기화합물의 가수분해는 각각 특수한 명칭으로 불리는 경우가 있다. 즉, 에스터의 가수분해(산＋알코올)는 비누화라 하고, 수크로스의 가수분해(글루코스＋과당)는 전화(轉化)라 한다. 사람의 소화기 내에서 음식이 소화되는 과정도 가수분해이다.

예를 들면, 녹말은 아밀라아제의 접촉작용으로 가수분해 되어 말토스가 되고, 이 말토스는 다시 말타아제의 접촉작용으로 가수분해 되어 포도당으로 변해서 비로소 흡수된다. 이러한 가수분해를 당화(糖化)라 한다. 또 단백질은 트립신 등 효소의 접촉작용으로 가수분해 되어 아미노산이 된 후 흡수되는데, 이것은 펩티드결합이 끊어지는 것이다. 이 밖에도 자연계의 화학반응에는 가수분해의 예가 많다. 위와 같은 가수분해에서 대개의 경우 촉매가 있으면 반응속도가 증가하는데, 생체 내에서의 가수분해에는 많은 종류의 가수분해효소가 촉매작용을 한다.

2.반응속도식

반응속도는 반응물질의 농도에 따라 달라진다. 화학반응은 반응물질 입자가 접촉해야 일어날 수 있기 때문에 반응속도는 반응물질 입자의 충돌수에 비례한다. 반응물질의 농도가 크면 클수록 반응물질 사이의 충돌수가 커져 반응이 일어날 가능성이 커지기 때문이다.

따라서 반응속도는 반응물질 농도의 함수로 나타낸다. 여기서 반응속도와 반응물질 농도와의 관계를 나타낸 식을 반응속도식이라고 한다.

그런데 반응속도식은 화학반응식만 보고 그 식을 나타낼 수는 없으며 실험으로 얻은 결과를 바탕으로 결정될 수 있다.

반응 H₂O(g) + CH₃Cl(g) → CH3OH(g) + HCl(g)을 예로 들어 보자. 이 반응식에서 반응속도는 물과 염화메틸의 농도에 관계될 것이라는 사실을 알 수 있으므로 이로부터 얻을 수 있는 반응 속도식은,

반응속도 = k[H2O]x[CH3Cl]y,        k:반응속도상수

에 불과하다.

이 반응의 정확한 반응속도식은 물과 염화메틸의 농도를 달리하여 반응속도를 측정한 실험 결과를 바탕으로 하여 x와 y를 구해야 비로소 결정될 수 있는 것이다. 다음 예는 이 반응의 반응속도식을 어떻게 결정하는지를 보여 준다.

[표1]은 물과 염화메틸의 농도를 달리하면서 반응속도를 측정한 결과이다.

[표1] 물과 염화 메틸의 초기 농도에 따른 반응속도

실험 1, 2, 3 에서는 염화 메틸의 농도가 같고 물의 농도만 다르므로 실험에서 반응속도가 달라진 것은 물의 농도가 달라졌기 때문임을 알 수 있다. 

[표2] 물의 농도에 따른 초기 반응속도

위에서 물의 농도가 2배로 되면 반응속도는 4배, 물의 농도가 3배로 되면 반응속도는 9배가 되었으므로 반응속도는 물 농도의 제곱에 비례한다는 사실을 알 수 있다. 따라서 x 는 2가 된다.

이와 같은 방법을 써서 실험 2, 4, 5로부터 염화메틸의 농도와 반응속도와의 관계를 구할 수 있으며 그 값을 구해 보면 1이 된다.

따라서 이 반응에 대한 반응속도식은 다음과 같이 쓸 수 있다. 

반응속도 = k[H₂O]²[CH₃Cl]

여기서, 각 물질 농도의 거듭 제곱수(멱수)를 반응차수라고 하는데 이 반응의 반응속도는 물에 대해서는 2차이고, 염화메틸에 대해서는 1차이며 전체로는 3차가 된다.

 반응속도 상수는 산화질소와 오존과의 반응은 2차 반응으로 알려져 있으며 반응속도식은 다음과 같다.

NO(g) + O3(g) →NO2(g) + O2(g)

반응 속도 = k[NO][O3]

여기서, 비례상수 k를 반응속도상수라고 한다.

반응속도상수는 농도와는 무관하지만 온도에는 의존되는 양이다. 반응속도상수가 온도에 의존하는 정도는 Arrhenius식으로 알 수 있다. Arrhenius식은 반응속도상수를 온도, 활성화 에너지, 반응물질의 입체 요인과 충돌단면을 고려한 상수로 나타낸 관계식이다.

A 입체 요인과 충돌 단면 등을 고려한 상수, Ea 활성화 에너지, R 기체 상수, T 절대 온도

이 식에서처럼 반응속도상수는 온도가 높아질수록 커지며 활성화 에너지가 클수록 작아진다.

3. 참고자료

-초산에틸

에스테르류에 속하는 착향료이다. 아이스크림, 알코올음료, 빵 등에 사용되고 감의 탈삽제로 사용하는 알코올 변성제로 이용한다.

파인애플, 딸기, 간장 등의 휘발성 방향성분으로 무색투명한 액체이다. 과실 향기가 있다. 화학식은 C4H8O2 이다. 물, 알코올, 유기용매에 녹고 용해도는 높은 온도보다 낮은 온도에서 높다. 공기 중 가수분해 되어 초산을 유리하며 아세톤, 에테르, 클로로포름에 혼합된다. 가연성(인화성 4℃)이 있으며 습기로 분해된다. 비중 0.897∼0.906, 녹는점 -83.6℃, 끓는점 77.15℃, 굴절률 n(20, D)은 1.370∼1.375이다.

1일 허용섭취량(ADI)은 0.0-25.0 mg/kg 이며, 랫트에 경구투여 시 LD50(엘디50)은 5.62g/kg이다. 착향 목적 외에 사용해서는 안 되나 초산에틸을 초산비닐수지 용제로 사용하는 경우 예외로 한다. 아이스크림, 알코올음료, 빵 등에 첨가하고, 감의 탈삽제로 사용하는 알코올 변성제로 이용한다. 인화점이 낮아 주의를 요하며 밀봉용기에 담아 냉암소에 보존한다.

기구 및 시약

장치		시약
항온조(±0.1℃) 휘트스톤브리지 비커(250ml)  피펫(50ml) 초시계  자석교반기	1개 1개 1개 2개 1개 1개	0.02N - NaOH 0.02N - 초산에틸	100ml 100ml

         shaking water bath

실험 방법

① 비커 10개에 0.6N HCl 10ml씩을 준비한다.

② △flask에 0.5N NaOH 용액 60ml와 0.5N CH₃COOC₂H₅ 60ml를 넣는다.

    (각각의 온도에서 10분간 평형유지 후 섞는다.) 

③ 시간에 따라(30, 60, ,90, 120, 150, 180, 210, 240, 270, 300초) 10ml를 취하여

    HCl이 들어있는 비커에 넣는다. → 반응이 멈춤.

④ 위의 용액을 0.5N NaOH로 적정.

    (NaOH 용액은 0.25N oxalic acid로 보정.)

References

∎구글, 가수분해, 090401

http://ko.wikipedia.org/wiki/%EA%B0%80%EC%88%98%EB%B6%84%ED%95%B4

∎네이버, 반응속도식, 090401

http://100.naver.com/100.nhn?docid=844131

∎네이버, 반응속도 상수 090401

http://100.naver.com/100.nhn?docid=844132

∎물리화학실험, 이문득 저, 자유아카데미 p. 135

∎O. Levenspiel, "Chemical Reaction Engineering", 2nd ed., John Wiley and Sons. p. 354