북일고 화학실험

1. Micro Mole Rocket
화학실험 2조

2. 4
3
2
1수소의 연소 반응을
이해한다.
수소와 산소의 반응에서
몰수비와 부피비 등
화학 반응의 양적 관계를
알 수 있다.
과학자들이 감각과 기구들을
이용하여 관찰하고, 조건을
통제하여 관찰 결과를 이끌
어 낸다는 사실을 이해한다.
화학 반응의 한계 반응물을
알 수 있으며 기체 반응의
법칙을 확인할 수 있다.
실험
목표

3. 실험소개
수소, 수소의 연소반응,
연료전지
금속과 산의 반응 과산화수소 분해 반응

4. 수소는 주기율표의 가장 첫번째 화학원소. 우주에서 가장 흔하며 가볍고 무색을 띤다.
수소기체는 급격히 불에 타는 가연성을 가진 연료이며, 성냥불에 대면 폭발음이 난다.
연료전지는 3차 전지라고도 불리우며, 수소와 산소가 반응시 생성되는 에너지를 이용한다.
2차전지인 배터리와의 차이점이라면 연료전지는 발전기와 같은 장치고, 전력원으로 사용
하려면 연료를 넣어야 하며, 연료를 넣기만 하면 되므로 충전시간이 비교적 빠르다.
수소, 수소의 연소반응, 연료전지
2H2 g + O2 g → 2H2O l + 572KJ(286KJ mol)

5. 금속은 일반적으로 전자를 버리려고 하는 경향이 커서 산과의 반응에서 수소이온에 전
자를 주고 금속은 양이온이 된다. 금속이 전자를 잃고 양이온이 되려는 경향을 이온화
경향이라고 한다.
이온화 경향이 크면 전자를 더 잘 내놓고, 산화가 잘 된다. 수소보다 이온화 경향이 클
수록 묽은 산에서 수소기체를 발생하기 쉽다.
금속과 산의 반응
Zn s + 2HCl aq → ZnCl2 aq + H2(g)
𝐾 − 𝐶𝑎 − 𝑁𝑎 − 𝑀𝑔 − 𝐴𝑙 − 𝒁𝒏 − 𝐹𝑒 − 𝐿 − 𝑆𝑛 − 𝑃𝑏 − 𝑯 − 𝐶𝑢 − 𝐻𝑔 − 𝐴𝑔 − 𝑃𝑡 − 𝐴𝑢

6. 분해하는 방법에는 세가지 종류(열 분해, 전기 분해, 촉매 분해)가 있다.
이 중 과산화수소 분해는 촉매 분해로, 실험에서는 촉매제로 아이오딘화
칼륨(KI)을 사용한다. 여기서 아이오딘화 칼륨은 반응속도를 빠르게 해
주는 정촉매의 역할을 한다.
과산화수소 분해 반응
2H2O2 𝑎𝑞 → 2H2O l + O2 g

7. 실험 기구
점화기
10mL 눈금실린더
고무마개
250mL 비커
시험관, 시험관대
일회용 피펫
실험 장갑
Pop-Test 반응 시 사용
압전소자를 이용해 점화
기체포집벌브에 물을 넣을
때 사용
눈금이 그어져 있어 액체의
양을 측정할 때 사용
산소나 수소가 시험관 밖으로
빠지는 것을 방지
산소나 수소를 포집할 때 사용
기체포집벌브와 로켓을 만드는
데 사용
염산같은 위험한 시약이 손에
닿는 것을 방지

8. 과산화수소(H2O2)
밀도: 1.4𝑔/𝑐𝑚2
분자량 ∶ 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.

9. 아연(Zn)
원자번호 30번으로, 생물의 물질 대사에 필요한 무기물이며, 지
각을 이루는 중요 원소.
보통 은과 카드뮴과 함께 산출되는 은광의 부산물 중 하나.
이번 실험에서는 수소를 발생시키기 위해 염산과 반응시키
는 물질로 사용된다.
𝐙𝐧 𝐬 + 2𝐻𝐶𝑙 𝑎𝑞 → 𝑍𝑛𝐶𝑙2 𝑎𝑞 + 𝐻2(𝑔)

10. 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/𝑐𝑚2
분자량 ∶ 36.46𝑔/𝑚𝑜𝑙
녹는점 ∶ −27.32℃ 끓는점 ∶ 110℃
Zn s + 2𝐇𝐂𝐥 aq → ZnCl2 aq + H2(g)

11. 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 촉매 반응

12. 1기체 포집 장치
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 끼워 기체를 포집한다.

13. 2기체발생 반응장치
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.

14. 3기체 포집 벌브에 눈금 그리기
1. 250ml 비커에 절반 정도 수돗물을 받고 기체포집벌브를 비커 물
속에 잠궈 물로 채운다.
2. 기체포집벌브 속의 물을 눈금실린더에 부어 기체포집벌브 전체
부피를 측정한다.
3. 기체포집벌브에 물을 채운 뒤 전체 부피의 1/6씩 눈금실린더에
덜어 내며 네임펜으로 벌브에 눈금 표시하는 것을 반복한다. 이와 같
이 기체포집벌브를 6등분하여 표시한다.
4. 성냥개비를 이용하여 벌브눈금위치를 표시한 후 나머지 벌브도
같은 위치에 표시하여 시간을 줄인다.

15. 4산소와 수소의 포집과 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.

16. 5산소와 수소기체 혼합물의 예비실험
1. 벌브에 물을 가득 채우고 산소발생시험관에 끼우고 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 상대적인 폭발음의 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.

17. 6로켓 발사
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.

18. 수소와 산소의 성질
수소 : 불에 닿으면 급속도로 타서 큰 소리를 내는 가연성을 띠고 있다.
산소 : 불씨를 살리는 조연성을 띠고 있다.

19. 산소만 있을 때 소리가 나지 않았다.
산소1
수소5
산소2
수소4
산소3
수소3
산소4
수소2
산소5
수소1
산소와 수소 기체의 혼합 비율 실험 결과

20. 물을 거의 안 남겼을 때 소리는 컸지만 멀리 날아가지 못했다.
물을 1mL정도 남겼을 때 멀리 날아갔다.
물을 2mL정도 남겼을 때 1mL보다 더 멀리 날아갔다.
각도는 30도 정도에서 가장 멀리 날아갔다.
그 결과 평균 7~8m 정도로 날아갔고,
8m, 30도로 속도 계산 결과 약 9.51m/s가 나왔다.
기타 관찰한 사항

21. 토의

22. 아연과 염산의 반응, 과산화수소의 분해 반응
Zn s + 2HCl aq → ZnCl2 aq + H2(g)
2H2O2 aq → 2H2O l + O2 g

23. 수소의 연소 반응
2H2 g + O2 g → 2H2O l (∆H = −572KJ)

24. 가장 폭발적인 혼합물의 비율, 이유
실험 결과 수소:산소=4:2일 때 가장 폭발적이었다.
이유는 수소:산소=2:1일 때 남기지 않고 모두 반응하기 때문이다.
2H2 g + O2 g → 2H2O l (∆H = −572KJ)

25. 산소와 수소가 혼합되자마자 폭발하지 않는 이유
산소와 수소가 반응하는 데 필요한 최소 에너지(활
성화 에너지)가 충족되지 않았기 때문이다.

26. 로켓을 더 멀리 날리려면?
로켓 앞쪽을 무겁게 하고, 로켓이 회전을 하게 함으로써 외부 힘으로부터
방해 받지 않고 안정적으로 로켓을 날릴 수 있도록 한다.
물의 양은 추진력과 무게를 고려해서 적정량을 남긴다.
모양은 최대한 바람과 공기의 저항을 줄일 수 있는 유선형으로 제작한다.
각도는 다음 슬라이드와 같다.

27. Height
Width
𝜃
𝑣0
𝑊𝑖𝑑𝑡ℎ =
𝑣0
2
𝑠𝑖𝑛2𝜃
𝑔
𝐻𝑒𝑖𝑔ℎ𝑡 =
(𝑣0 𝑠𝑖𝑛𝜃)2
2𝑔
이론상으로는 45도일 때 Width값을 크게 할 수 있지만,
공기저항에 의해 약 39도일 때 멀리 날아갈 수 있다.
하지만 천장 길이까지 고려한다면 천장의 높이를 2.5m일 때
𝑣0 𝑠𝑖𝑛𝜃=7이 될 때 천장에 닿지 않고 가장 멀리 날아갈 수 있다
고로 약 30도 정도에서 가장 멀리 날아갈 수 있다.

28. 실험 결과에 대한 고찰
실험 결과 수소:산소=4:2일 때 가장 폭발적이었으며, 그 이유는 수소와
산소가 2:1의 비율로 반응해서 물을 생성하기 때문이다.
그리고 로켓을 더 날리려면 로켓 앞쪽을 무겁게 하고, 로켓이 회전을 하
게 함으로써 외부 힘으로부터 방해 받지 않고 안정적으로 로켓을 날릴 수
있도록 한며, 물의 양은 추진력과 무게를 고려해서 적정량을 남기고, 모
양은 최대한 바람과 공기의 저항을 줄일 수 있는 유선형으로 제작하며,
각도는 39도가 적당하지만, 최대 높이가 정해져 있으면, 그에 맞게 각도
를 조절한다.