촉매에 따른 과산화수소의 반응

21108 김선정 21115 김효진 21117 문예지 | 첨단고등학교

실험 동기

• 평소에 상처가 난 부위에 소독을 하기 위해서 무색 용액을 사용 하는데 그 때 거품이 일어나는 것을 보고 그 용액이 무엇인지에 대해서 조사를 해보게 되었다 냈다 . 알았다 . .

그래서 그 용액이 과산화 수소라는 것과 어떤 반응으로 상처 난 부위에 과산화 수소를 사용했을 경우에 거품이 일어나는지 알아 이러한 반응을 알아 내는 도중에 과산화 수소가 혈액 속의 적혈구 에 포함되어 있는 카탈라아제라는 물질과 촉매 반응을 일으킨다는 것을 그래서 과산화 수소와 반응하여 거품을 일으키는 다른 촉매들에 대해서 호기심이 생기게 되었고 반응 실험을 계획하였다 .

, 그 과정에서 과산화 수소와 촉매 반응 을 일으키는 다른 반응물질들로 인해 촉매 반응 후 과산화 수소에서 어 떤 성분의 기체가 발생하는지에 대하여 궁금증이 생겨 과산화수소 촉매

실험에 대한 가설

•

여러 촉매(우리가 실험한 촉매) 중 성능이 가장 뛰어난 물질은 무엇인가?

- 이산화 망간의 반응이 발열 반응으로 인해서 뛰어날 것이다.

•

여러 촉매작용에서 반응 후에 생성된 물질은 산소일 것이다.

실험 전 알아볼 내용

• 과산화수소 (H2O2) 과산화수소는 물, 에탄올, 에테르에 잘 녹으며 수용액에서 수소이온이 일부 해리되어 약한 산성을 띤다. 진한 과산화수소는 독성이 있으며 강한 자극성이 있으므로 매우 조심스럽게 다루어야 한다. 시판용은 30~35%의 수용액이며 강한 산화력을 가진다.

• 카탈라아제 우리 몸 속에 이산화망간과 비슷한 역할을 하는 촉매가 있는데, 이것이 바로 카탈라아제이다. 생체 내에서 일어나는 반응을 촉매 하는 단백질을 효소라고 하는데, 카탈라아제 역시 효소의 일종이다. 과산화수소와 같은 과산화물은 세포막에 나쁜 영향을 끼치기도 하고 효소와 같이 몸 속에서 중요한 기능을 하고 있는 물질들을 방해하기도 한다. 따라서 몸 속에 과산화수소가 존재하면 이를 빨리 파괴시켜 주어야 하는데, 카탈라아제가 이 역할을 한다. 카탈라아제는 간 속에 많이 존재하는데, 우리가 간의 주요기능으로 해독작용을 이야기하는 것은 바로 카탈라아 제와 같이 몸에 해로운 물질을 빠르게 없애 주는 효소들이 간에 많이 들어 있기 때문이다. 카 탈라아제는 우리 몸 속의 간뿐 아니라 적혈구나 신장에도 들어 있다. 따라서 혈액 속에 존재하 는 카탈라아제가 과산화수소의 분해반응을 촉매 한다. 상처 부위에 과산화수소를 발랐을 때 거품이 나는 이유가 바로 혈액 속에 있던 카탈라아제에 의해 과산화수소가 분해되어 물과 산 소기체를 내기 때문이다.

[네이버 지식백과]

• 이산화망간(MnO2) 회색 내지 흑색의 결정.산화망간(Ⅳ)이라고도 한다. 비중 5.026이다. 가열하면 산소를 방출 하고 분해하는데, 그 분해온도는 제조법에 따라 다르며 대략 200~530℃이다. 물에는 아 주 잘 녹지 않지만 묽은 산이 존재하면 쉽게 반응한다. 천연으로는 파이로루스로서 산출 된다. 2가(價) 망간의 황산염을 150~200℃에서 장시간 가열하거나 탄산염과 염소산칼륨 의 혼합물을 300℃에서 가열하면 생긴다. 전지, 촉매, 성냥, 유약, 유리의 착색제로 사용된 다.

• 아이오딘화 칼륨(KI) 수용성의 무색 결정. 금속·비금속이 요오드와의 직접 반응에 의해서 생기는 것도 있으나 금속 원소인 경우는 보통 금속·산화물·수산화물·탄산염 등을 요오드화 수소산에 녹이면 생 긴다. 수용액은 일반적으로 가수분해되어 있어 산화물을 침전시키는 것도 있다. 비금속 원소의 요오드화물은 보통 공유결합성인 분자로 이루어지고 휘발성이며 물에 녹지 않지 만 유기 용매에는 녹는 것이 많다.

[네이버 지식백과]

• 살리실산 산성이면서 페놀이기도 하므로 염화 철(Ⅲ) 수용액을 가하면 보라색을 띤다. 해열·진통의 작용을 지니고 있으므로 나트륨염이나 칼슘염으로 내복하며, 또 각 종 약물에 살리실산을 결합시켜 용해성 · 안정성 · 약리성 등을 개량하는 데 쓰인 다. 또 각질의 병적인 증식(사마귀·티눈)을 제거하기 위한 고약으로 사용되고, 메 틸에스터는 외용 도포약으로 진통·소염 등에, 페닐에스터는 장·요도 등의 방부제 로 사용된다. 또 식품 방부제로 사용되었으나 독성이 문제가 되어, 현재는 사용되 지 않고 있으며, 이 밖에 매염(媒染) 아조염료나 직접염료를 합성하는 중간체로서 도 중요하다. 구리 · 타이타늄 · 철 등의 금속이온과 킬레이트화합물을 만들고 짙 은 색이 되므로, 이들 금속의 화학분석용 시약으로도 유용하다.

[네이버 지식백과]

• 촉매 화학 반응에 참여하여 반응 속도를 변화시키지만 그 자신은 반응 전후에 원래대 로 남는 물질을 촉매라고 한다. 화학 반응이 진행되려면 반응 물질이 활성화 상태 를 거쳐야 한다, 활성화 상태는 반응 물질이나 생성 물질보다 에너지가 높은 상태 이므로 반응이 일어나려면 반응 물질이 충분한 에너지를 가지고 있어야 한다. 촉 매는 반응 물질이 활성화 에너지보다 낮거나 높은 경로 반응이 일어나도록 한다. 활성화 에너지보다 낮은 경로로 반응이 일어나도록 하는 촉매를

정촉매

라고 하며, 활성화 에너지보다 높은 경로로 반응이 일어나도록 하는 촉매를

부촉매

속은 불균일 촉매이다. 주로 사용되는 촉매로는 정촉매를 사용한다.

라고 한다. 정촉매를 사용하면 반응 속도가 빨라지고, 부촉매를 사용하면 반응 속도가 느려 진다. 한편 반응 물질과 같은 상인 촉매를 균일 촉매라고 하며, 반응 물질과 상이 다른 촉매를 불균일 촉매라고 한다. 오존층의 파괴에 영향을 미치는 염소 원자(프 레온 가스로부터 생성됨)는 균일 촉매이고, 에틸렌과 수소의 반응에 사용되는 금 [네이버 지식백과]

실험 재료

재료(세부 목록)

과산화 수소(30%) 이산화 망간 살리실산 감자조각(카탈라아제)

양(자세히)

15ml X 5 0.5g

0.5g

5조각 요오드화 칼륨용액 식용색소(노랑) 유리막대, 약수저, 시험관, 라이터, 향초, 목장갑 7ml 1g

절차

1단계 2단계 3단계 4단계 실험 재료 준비한다 .

[과산화수소 30%, 이산화망간 0.5g, 살리실산 0.5g, 감자 다섯조각 (카탈라아제), 요오드화 칼륨용액 7ml, 식용색소 (노랑색) 1g] 촉매반응실험 분해 기체성분 확인 실험결과도출

실험1단계 : 실험 재료를 준비한다

• 과산화수소 30%, • 이산화망간 0.5g, • 살리실산 0.5g, • 감자 다섯조각 (카탈라아제) • 요오드화 칼륨용액 7ml • 식용색소 노랑색 1g • 향초, 약수저, 라이터, 장갑, 스포이드, 유리관

실험2단계 : 과산화수소를 유리관에 넣는다.

• 과산화 수소를 총 5개의 유리관에 넣고, 식 용색소를 첨가한다.(대조군 1개와 실험군4 개) • 대조군 : 과산화 수소 • 실험군 : 과산화 수소 + 이산화 망간 과산화 수소 + 감자 5조각 과산화 수소 + 요오드화 칼륨용액 과산화 수소 + 살리실산

실험3단계 : 반응물질을 넣는다.

살리실산 • 과산화수소가 들어 있는 유리관에 살리실산0.5g을 넣는다.

• 반응결과 : 살리실산을 넣은 과산화 수소 유리관에서는 아무런 반응이 일어나지 않았다. 따라서 살리실산 은 부촉매 역할을 한다는 것을 알게 되었다.

실험3단계 : 반응물질을 넣는다.

감자 ( 카탈라아제 ) • 과산화 수소가 담긴 유리관에 감자5 조각을 넣는다.

• 반응결과 : 과산화 수소가 담긴 유리 관에 감자를 넣자 거품이 발생하였 다. 하지만 발열반응은 일어나지 않 았다. 그렇지만 거품이 발생하였으 므로 따라서 감자는 정촉매 역할을 한다는 것을 알게 되었다.

실험3단계 : 반응물질을 넣는다.

이산화 망간 • 과산화 수소가 담긴 유리관에 이산화 망간 0.5g을 넣는다.

• 반응 결과 : 과산화 수소가 담긴 유리 관에 이산화 망간을 넣자 거품이 발생 하면서 발열반응이 일어나서 연기가 발생하게 되었다. 따라서 이산화 망간 은 거품이 발생하였으므로 정촉매 역 할을 하면서 발열반응을 일으키는 물 질이다.

실험3단계 : 반응물질을 넣는다.

요오드화 칼륨 용액 • 과산화 수소가 담긴 유리관에 요오드 화 칼륨 용액7ml을 넣는다.

• 반응결과 : 과산화 수소가 담긴 유리 관에 요오드화 칼륨 용액을 넣자 거품 이 발생하고, 연기가 발생하면서 발열 반응이 일어났다. 따라서 요오드화 칼 륨 용액은 거품이 발생하였으므로 정 촉매 역할을 하면서 발열반응을 일으 키는 물질이다.

실험4단계 : 반응 후 생성물질 확인한다.

• 반응 후 생성물질을 확인하기 위해서 유리관에다가 향초에 불을 붙여서 유 리관에 넣어 보았다.

• 대조군인 유리관에서는 반응이 별로 없었고 실험군인 살리실산을 넣은 유 리관에서도 별로 반응이 없었다. 그리 고 요오드화 칼륨용액을 넣은 유리관 에서 향초의 불이 커졌고, 이산화망간 을 넣은 유리관 그리고 감자를 넣은 유리관 순으로 불이 커졌다. 따라서 촉매반응으로 인해서 산소가 생겨났 다는 것을 알 수 있다.

실험에 대한변수

통제된 변수 • 과산화수소의 양 • 실내 온도 • 유리관 크기 • 식용색소의 양 독립 변수 • 반응 물질의 종류 종속 변수 • 촉매 반응으로 인해 생기는 거품과 산소의 양

결론

• 과산화 수소가 여러 다른 정촉매로 인해서 산 소와 물로 분해가 촉진된다. [ 2H2O2 + 정촉매 → 2H2O＋O2 + 정촉매 ] • 실험한 반응 물질들 중에서 정촉매들은 감자 (카탈라아제), 이산화망간, 요오드화칼륨용액인 데 반응 결과가 크고 속도가 빨랐던 순서는 이산화망간 > 요오드화칼륨 > 감자(카탈라아 제) 이다. 그리고 살리실산과는 아무런 반응을 일으키지 않았다.

느낀점 – 21108 김선정

실험을 들어가기 앞서 상처 난 부위에 과산화수소로 소독하는 것을 보고, 그 것에 대해서 알아보는 과정에서 정촉매와 부촉매 라는 것을 알게 되었다. 알 아보는 과정에서 과산화 수소와 혈액 속의 적혈구속의 카탈라아제와 촉매 반 응을 일으킨다는 것을 알았다. 그래서 아이들과 과산화수소 촉매반응 실험을 계획하게 되었는데, 과산화 수소에 정촉매와 부촉매를 넣어보고 향초를 집어 넣어 촉매반응 후에 생성되는 물질이 산소라는 것도 알아내었다. 고등학교를 올라온 후 처음으로 하는 과학실험이었는데, 가설도 세워보고 재료를 정리해 보는 등의 체계적으로 실험을 계획해 보는 계기가 되었다. 그리고 직접 실험 을 하고 그 결과를 기록하고, 그에 관한 용어, 관련 지식 등을 작성하게 되는 과정에서 나중에 절대 잊지 못할 인상 깊은 경험이 되었다고 생각한다. 그리 고 그 과정에서 화학에 대한 흥미를 더욱 키우게 되는 계기가 되었다.

느낀점 – 21115 김효진

• 처음에 상처난 부위에 왜 과산화수소로 소독을 하고, 소독을 하면 왜 흰 거품이 생기 는지 궁금해서 친구들과 조사하는 도중에 과산화수소로 촉매 반응을 하는 실험을 보 고 흥미를 느껴 실험을 하게 되었는데, 처음에 원리에 대해 알아볼 때 촉매에 종류가 반응을 촉진시키는 역할만 하는 줄 알았는데, 반응을 느리게 하는 부촉매 라는 종류 가 있다는 게 신기했다. 그리고 우리가 한 실험은 정촉매를 이용한 촉매 반응 실험이 였는데, 하면서 발열반응을 일으키는 물질도 있었고, 그냥 거품만 생기는 물질도 있 었으며, 아무런 반응도 일어나지 않는 물질도 있었는데, 하면서 가장 신기 했던건 열 과 연기를 내품으면서 반응을 한 이산화 망간과 요오드화 칼륨 용액을 이용한 정촉 매 반응이었다. 그렇게 까지 반응이 나타날 줄은 몰랐는데, 생각보다 많이 폭발적인 반응을 해서 놀랐지만 재미있는 실험이 되었던것 같다. 또 이러한 실험을 하면서 사 람의 몸에서는 어떤 물질과 반응 하길래 거품이 일어나는지가 궁금했었는데, 조사하 면서 알게된 카탈라아제라는 물질이있는데 실제로 우리의 피를 사용하여서 할 수 없 는 상황이라 대신 감자를 이용하여 하였는데, 정말로 거품이 생겨서 그 원리를 제대 로 깨달았다.

느낀점 – 21117 문예지

처음에 단순하게 상처 난 부위에 과산화수소를 사용하게 되면 왜 거품이 발생 하게 되는지에 대해서 궁금해 하면서 촉매반응을 알아보게 되었고 그 다음 촉 매반응에 대해서 더 자세하게 알아보고 싶어서 아이들과 주제탐구의 주제로 선정해서 실험을 하게 되었다. 그래서 촉매반응 실험을 하면서 여러 가지 물질 들을 반응물질로 과산화수소에 직접 넣어보면서 반응이 진행되는 과정 에서 생성되는 물질인 산소를 직접 알아보았고 이러한 실험들을 통해서 상처 난 부 위에다가 과산화수소를 부으면 상처에서 거품이 일어나게 되는 이유가 적혈구 에 있는 카탈라아제인데 이것도 실험해보기 위해서 감자에 카탈라아제가 함유 되어 있기 때문에 감자를 사용해서 직접 실행을 해보았다. 이렇게 직접 궁금증 들을 해소하기 위해서 친구들과 같이 실험을 진행해보면서 정말 이런 화학실 험에 더욱 많은 흥미를 느꼈고 그냥 단순한 실험이 아니라 내가 궁금해 하던 것이라서 더욱 재미있었고 새로운 것을 알게 되어서 보람차고 재미있었다.

참고 문헌

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[네이버 지식백과] – 두산백과

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[네이버 지식백과] - Basic 고교생을 위한 화학 용어사전

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네이버 블로그 [출처]

http://blog.naver.com/iup123/100163418670 과산화수소 분해 실험