[기기분석실험]흡수분광법을 이용한 철의 정량 1부

실험 목적

1. 철의 농도가 다른 5가지 표준용액을 만들어 시트르산나트륨으로 pH를 맞추고 환원제인 히드로퀴논과 발색제인 o-펜안트롤린을 가하여 붉은색의 착물을 만든다.

2. UV-visible spectrophotometer로 흡광도를 측정하여 철의농도와 흡광도의 관계선, 즉 검정선을 작성한다.

3. 다음에 농도를 모르는 철용액을 같은 방법으로 발색시켜 흡광도를 측정하여 검정선을 이용하여 철의 함량을 구한다.

실험 이론 및 원리

분광광도법이란 빛을 이용하여 화학농도를 측정하는 방법이다. 자외선과 가시선 복사선을 이용하는 흡수측정법은 분자 화학종의 정량 및 정성분석에 널리 이용되고 있다. 이번 실험은 전자기 복사선의 흡수가 어떻게 정량분석에 이용되는 것인지에 대해 논의할 것이다.

1. 전자기 복사선과 스펙트럼

1) 복사선의 흡광

원자, 분자 또는 이온과 같은 화학종이 복사선을 흡수할 때 에너지준위는 증가하며, 이것을 물질이 들뜬 상태로 되었다고 한다. 만약 물질이 광자를 방출하면 에너지는 낮아지고, 물질의 가장 낮은 에너지 상태를 바닥상태라 한다. 모든 화학종은 일정한 수의 불연속적으로 양자화 된 에너지준위를 갖는다. 복사선의 흡수가 일어나려면 들뜨게 하는 광자의 에너지가 흡수하는 화학종의 바닥상태와 들뜬상태 사이의 에너지 차와 정확하게 일치되어야 한다. 

이 에너지 차는 화학종에 따른 특유한 값이므로 흡수된 복사선의 주파수를 조사해 보면 시료의 성분을 알아낼 수 있는 근거가 된다. 이러한 목적을 위해 분광광도계를 사용하여 흡광도를 파장 또는 주파수의 함수로써 측정하여 흡수 스펙트럼을 얻는다. 흡수 스펙트럼의 일반적 모양은 흡수 화학종의 복잡성, 물리적 상태 및 화학적 환경 등에 따라 다르다.

 

(1) 원자흡수 스펙트럼(atomic ABSorption spectrum) : 원자 흡수 스펙트럼은 자외선 또는 가시선의 파장을 연속적으로 변화시키면서 단일원자입자의 시료에 통과시키면 몇 가지 일정한 주파수의 복사선만이 흡수 제거된다. 이와 같이 원자흡수가 단순한 스펙트럼으로 나타나는 것은 원자입자가 취할 수 있는 에너지상태의 수가 적다는 것을 의미한다. 이 때 들뜨기 과정은 전자 전이에 의해서만 일어나고 원자 속의 하나 또는 그 이상의 전자가 그보다 높은 에너지준위로 전이가 일어난다. 자외선과 가시선은 원자가전가, 즉 결합전자만을 전이시키기에 충분한 에너지를 갖는다.

 

(2) 분자흡수 스펙트럼(㏖ar ABSorption spectrum) : 다원자 분자, 특히 액체상태의 경우에는 흡수 스펙트럼이 상당히 복잡하다. 이것은 에너지 상태의 준위수가 크게 증가되기 때문이다. 이 경우에 한 분자의 전체 에너지는 다음과 같다.

E전체 = E전자 + E진동 + E회전

분자는 각 전자에너지 상태에 있으면서 보통 몇 가지의 가능한 진동상태를 취할 수 있고, 또 각 진동상태에서도 여러 가지 회전상태를 취할 수 있다. 따라서 원자입자의 경우보다 분자의 경우에는 가능한 에너지준위의 수는 훨씬 많다.

분자흡수의 경우에 세 가지 형태의 에너지가 불연속적인 에너지준위로 존재한다. 첫째로, 분자는 여러 가지 회전축 주위를 회전하고 이 에너지는 일정한 에너지 준위로 존재하고, 회전전이에 따라 적외선을 흡수하면 더 높은 회전에너지 준위로 들뜬다. 둘째, 분자의 원자축은 서로 간에 진동하고 이 진동에너지는 일정한 에너지준위로 존재한다, 진동전이에 따라 일정한 적외선 에너지를 흡수하면 더 높은 진동준위로 전이한다. 셋째, 분자의 결합전자들은 전자 전이에 따라 더 높은 전자 에너지준위로 전이하게 된다. 

이들 여러 에너지준위들은 양자화 되어 있으므로 낮은 에너지상태에서 높은 에너지상태로 전이할 때 두 에너지준위간의 에너지 차에 해당하는 일정한 에너지를 흡수해야 한다. 복사선 에너지를 받으면 각 전이형태에 일치하는 에너지를 갖는 복사선을 흡수하여 흡수 스펙트럼이 형성된다. 세 가지지 전이에 대한 에너지준위 크기의 순서는 전자>진동>회전 순이다. 각 에너지준위 사이의 에너지 차의 크기는 대략 10배 정도이다.

2. 빛의 흡수

1) 투광도와 흡광도

(1) 투광도(Transmittance): 용액의 투광도는 용액을 투과한 입사 복사선의 분율로 정의된다. 투광도는 흔히 퍼센트로 나타낸다.

T = P/P0 (복사력P0,P, T는 투광도)

 

(2) 흡광도(ABSorbance): 투광도와는 반대로 용액의 흡광도는 빛살의 감쇠가 커짐에 따라 증가한다. 분광광도계의 판독장치가 투광도와 흡광도 둘 모두로 나타낸다면, 흡광도 눈금은 log 눈금이라야 한다.

A = -log10T = logP0/P (복사력P0,P, A는 흡광도)

* 흡광도가 증가하면 투광도는 감소한다.

 

(3) 흡광도와 농도와의 관계:Beer의 법칙: 흡수법에서 측정되는 양(A)과 구하려는 양(분석물의 농도c)과의 관계는 아래의 식으로 나타낸 Beer의 법칙으로 설명된다.

A = log(P0/P) = abc

(a는 흡광계수, b는 흡수매질을 통과하는 복사선의 통과길이)

흡광도는 단위가 없는 양이기 때문에 흡광계수는 b와 c의 단위를 상쇄하는 단위를 갖는다. 위 식에서 농도를 리터당 몰로, b는 센티미터로 표현할 때 비례상수는 몰흡광계수(molar ABSorptivity)라 부르며 특별한 기호인 ε으로 나타낸다. 따라서

A = εbc (ε의 단위는 L㎝-1㏖-1)

따라서 같은 기기를 사용할 때 ε와b는 같기 때문에 농도에 비례해서 흡광도가 커지는 것입니다.

 

(4) 투광도와 흡광도의 실험적 측정: 측정하려는 용액을 용기에 담아야 하기 때문에 실험실에서는 투광도와 흡광도를 정확이 측정할 수 없다. 왜냐하면 빛이 흡수용기를 지날 때 용기벽에서의 반사와 흡수 가능성에 의해 빛의 세기가 많이 손실되기 때문이다.

반사로 인한 손실 외에도 빛이 용액을 통과할 때 용매에 있는 큰 분자나 불균일 매질에 의한 산란으로 인해 빛살의 세기가 감소될 수도 있다. 이러한 효과들을 상쇄하기 위해, 흡광도는 흡수 용액이 들어있는 셀에 투과된 빛살의 세기를 단지 용매만 들어 있는 동일한 셀을 투과한 빛살의 세기와 비교하여 나타낸다. 따라서 실험적 흡광도는,

A = logP용매/P용액 = logP0/P

 

(5) Beer의 법칙의 적용한계

Beer의 법칙에서 흡광화학종의 농도가 일정한 경우 흡광도 와 광로 길이간의 직선관계는 특별한 경우를 제외하고는 항상 성립한다. 그러나 광로길이가 일정할 때 측정한 흡광도와 농도 간에는 정비례하지 않고 직선관계에서 편차가 나타나는 경우가 있다. 따라서 정량분석에서 Beer의 법칙을 적용하기에는 어떤 한계성이 존재한다. 이 법칙은 묽은 농도의 용액에서만 성립하고, 보통 농도가 0.01M보다 진한 경우에는 흡광화학종간의 평균거리가 좁아져서 서로의 전자분포 상태에 영향을 주게 되므로 일정한 파장의 흡광이 감소된다. 

화학종간의 상호작용은 농도에 따라 다르고, 따라서 이것은 흡광도와 농도 사이의 직선관계에 편차를 가져오게 한다. 그러므로 이 법칙을 적용할 때 측정 농도에는 한계가 있다. 한편, Beer의 법칙에는 기기편차와 화학편차가 있다.

① 화학적편차 : 비대칭 화학평형이 존재할 때 일어난다. 예를 들면 화학종의 회합, 해리 또는 용매와의 반응이 일어날 때 생긴다.

②기기편차 : Beer의 법칙은 흡광도를 측정할 때 단색복사선을 이용할 때에만 성립하고, 이것은 파장에 따라 흡광계수가 다르므로 흡광도와 농도의 관계직선의 기울기가 변하기 때문이다. 실제로 좁은 범위의 다색광을 주로 사용하게 되므로 Beer의 법칙에서 편차가 생기게 된다.

3. 흡수분광 분석법

1) 정성분석

흡수분광계는 정성분석에 유용한 기기이다. 정성분석 방법은 순수한 표준물질의 흡수 스펙트럼과 미지 물질의 스펙트럼의 모양을 비교하여 이들 스펙트럼이 잘 일치하면 쉽게 미지 물질을 확인할 수 있다. 특히 적외선 영역의 흡수스펙트럼은 수많은 봉우리로 구성되는 미세구조를 가지기 때문에 특히 정성분석에 유용하다. 자외선과 가시선 분광법은 흡수띠가 넓으며 미세구조의 스펙트럼이 나타나지 않기 때문에 정성분석에 잘 사용되지 못한다.

2) 정량분석

가시선 및 자외선의 흡수분광 광도법은 정량분석에 가장 유용하게 이용되는 분석법이다.

(1) 정량분석적 분광광도법의 특징

① 넓은 응용성 : 유기 및 무기화학종은 자외선 및 가시영역에서 흡수스펙트럼을 나타내며 이것이 정량분석에 이용된다. 흡수하지 않는 화학종은 적당한 화학처리를 함으로써 흡수하는 화학종으로 변화시켜 분석할 수 있다.

② 높은 감도 : 무기화학종은 보통 10000~40000 정도의 몰흡광계수를 나타내므로 10-4~10-5M 범위의 용액이 분석에 알맞은 농도이다.

③ 비교적 큰 선택성 : 올바른 조건을 선택하면 시료의 여러 성분 중에서 정량하고자 하는 성분만이 정량될 수 있는 파장영역을 찾아서 흡광도를 측정할 수 있다.

④ 높은 정확도 : 분광광도법으로서 농도측정을 하는 경우의 상대오차는 1~3% 범위이다.

⑤ 쉽고 간편하다.

 

(2) 응용범위

① 흡광 화학종에 대한 응용 :　여러가지 발색단을 갖는 유기화합물, 무기화합물을 분광광도법으로 분석한다.

② 복사선을 흡수하지 않는 화학종

복사선을 흡수하지 않는 화학종에 적당한 시약을 반응시켜 자외선 또는 가시선 영역에서 강하게 흡수하는 물질로 바꿀 수 있다. 이러한 발색제를 전이금속 이온에 반응시키면 색깔을 띠고 가시선을 흡수하는 화학종으로 바꿀 수 있다.

무기화학종의 발색에는 대부분의 경우 착화제가 쓰여진다. 대표적인 무기 발색 시약으로서는 철, 코발트, 몰리브덴과 반응하는 티오시안산이 있고 티탄, 바나듐, 크롬과 반응하는 과산화수소 그리고 비스무트, 팔라듐, 텔루르와 반응하는 요오드가 있다. 더 중요한 것은 양이온과 반응하여 안정한 색깔을 띤 착물을 만드는 유기착화제이다. 

이를테면 철정량에 쓰이는 o-phenanthroline, 니켈을 정량할 때 쓰는 dimethylglyoxime, 구리를 정량할 때 쓰는 diethyldithiocarbamate, 납은 정량할 때 쓰는 diphenylthiocarbazone 등이다. 흡광물질이 아닌 유기작용기도 흡광 측정법으로 정량할 수 있다. 이를테면 분자량이 작은 지방족 알코올은 세륨(Ⅳ)과 1:1 로 반응하여 붉은 착물로 된다.

③ 파장의 선택

분광광도법 분석에서는 보통 흡광도가 가장 큰 흡수봉우리에 해당하는 파장에서 흡광도를 측정해야 한다. 흡수곡선은 이 부분에서 평탄한 곡선을 이루고 있기 때문에 Beer의 법칙이 잘 들어맞고, 또 중요한 것은 기기의 파장조건을 할 때 정확하게 하지 못하더라도 그 편차는 예민하게 분석정확도에 영향을 크게 주지 않는다.

④ 흡광도에 영향을 주는 요인 : 물질의 흡수스펙트럼에 영향을 주는 보통의 요인은 용매, 용액의 pH, 온도, 전해질 농도, 방해물질의 존재, 방치하는 시간 등이다.

⑤ 흡광도와 농도간의 관계 : 분석조건을 모두 결정한 다음에는 일련의 몇 개 표준용액을 이용하여 검정선을 작성한다. 표준용액은 실제 정량하려는 시료의 조성 및 농도범위와 비슷하여야 한다.

4. 분광 광도계

1) 홑빛살 광도계와 겹빛살 광도계

분자는 연속 광원으로부터 나온 빛을 흡수하면 바닥상태에서 들뜬 상태로 전이된 후, 여러 경로를 거쳐 다시 바닥상태로 되돌아가면서 에너지를 방출한다. 이 변화를 관찰함으로써 물질의 정성 분석이나 정량 분석 및 순도 확인을 할 수 있다. 이에 이용되는 대표적인 기계가 광도계이다. 광도계는 빛의 세기를 측정하는 기계로 빛살이 계측기를 거치는 동안 몇 방향으로 나누어지는가에 따라 홑빛살 광도계와 겹빛살 광도계로 나눌 수 있다.

(1) 홑살형 기기(single beam)

홑살형 기기는 한 개의 빛살만이 지나간다. 입사 복사선의 세기, P0를 직접 읽는 것은 아니다. 그보다는 순수한 용매가 들어 있는 기준 큐벳(reference cuvet)을 통과한 빛의 복사세기를 P0로 정의한다. 다음, 기준 큐벳을 들어내고 대신 시료가 담겨진 동일한 큐벳으로 바꿔놓는다. 이때 검출기를 두드리는 기준 큐벳은 용기 및 용매에 의한 빛의 반사, 산란, 또는 흡수를 보정한다. 이 경우 검출기를 두드리는 빛의 복사세기는 기준 큐벳을 빛살로부터 들어내었을 때와 정확하게 같지는 않을 것이다.

홑살형 분광광도계는 두 개의 다른 시료를 빛살에 번갈아 가며 바꾸어놓아야 하기 때문에 불편하다. 동시에 이 장치는 시간이 경과하면 광원의 출력과 검출기의 감응이 둘 다 변동되기 때문에 부정확하다. 만약, 기준 용액과 시료 용액의 측정값들 중 어느 하나라도 변화가 있다면 겉보기 흡광도는 오차를 포함하게 될 것이다. 홑살형 기기는 반응 속도의 실험에서와 같이 연속적으로 흡광도를 측정하는 경우에는 적당하지 않다. 그 이유는 광원의 세기와 검출기의 감응이 둘 다 변화를 일으키기 때문이다.

 

(2) 겹살형 기기(double-beam spectrophotometer)

최신의 많은 광도계와 분광 광도계는 겹살 기기로 설계되어 있다. 겹빛살 기기에는 “공간형”, “시간형” 겹살 기기가 있다. 겹살형 기기는 매초당 여러 번 시료와 기준시료의 에너지를 비교하기 때문에 시간 및 파장에 따라 광원의 세기와 검출기 감응의 편차를 보정한다. 겹살 기기는 광원의 복사선 출력 중에서 아주 짧은 요동 뿐만 아니라 검출기와 증폭기의 표류를 상쇄시키는 장점이 있다. 파장에 따라 광원의 세기가 넓게 변하는 것도 상쇄하고, 더욱이 겹살 설계는 투광도 또는 흡광도 스펙트럼을 연속적으로 잘 기록할 수 있게 한다.

 

①빛살이 공간적으로 분리된 겹살 기기

아래 그림(b)에서 보면 단색화 장치의 회절발은 입구슬릿을 통하여 들어간 여러 파장의 빛 중에서 한 가지 파장의 빛만이 출구 슬릿으로 되돌아 나오도록 반사시킨다. 출구슬릿이 좁을수록 검출기로 보내지는 파장의 띠는 좁아진다. 살 분할기라고 부르는 v자 모양의 거울에 의해 공간적으로 두 개의 빛살이 생기게 된다. 

빛살하나는 기준용액을 통과하여 광검출기로 들어가고, 다른 하나는 동시에 시료를 통과하여 또 다른 짝 맞춘 광검출기로 들어간다. 두 출력은 증폭되어 전자공학적으로 그들의 비(또는 비의 log)가 결정되고 판독장치에 의해 보여진다. 수동식 기기를 이용하면 측정이 두 단계로 이루어 지는데, 우선 파장 선택기와 살 분할기에 사이에 있는 셔터로 영점 조절을 한다. 두 번째 단계로, 셔터를 열고 계기로부터 투광도나 흡광도를 바로 읽는다.

 

② 빛살이 시간적으로 분리된 겹살 기기

시간에 대한 겹살 기기는 단색화 장치로부터 나오는 모든 빛살을 회전하는 부채꼴 거울로 시간적으로 분리시켜 기준 셀에 교대로 통과하게 한다. 복사선의 펄스(pulse)는 다른 부채꼴거울(sector mirror)에 의해 재결합 되는데, 이것은 한 펄스는 투과시키고 다른 것은 반사시켜서 검출기로 보낸다. 

모터로 움직이는 거울은 절반은 거울이고 나머지는 투명한 파이 모양의 조각으로 되어 있다. 거울 부분은 검정색 금속 골격에 의해 받혀 있어서 빛살을 주기적으로 차단하여 검출기에 도달하지 못하게 한다. 검출기 회로는 이 시간 동안 암전류를 조정하도록 프로그램화 되어 있다.

실험 기구 및 시약

1. 실험 기구

1) UV-VIS 분광광도계, 10㎖메스플라스크 2개, 25㎖메스플라스크 2개(투명,갈색)

2) 250㎖ 갈색 메스플라스크 1개, 100㎖갈색 메스플라스크 7개, 100㎖ 삼각플라스크

3) 피펫, 뷰렛, 자석스핀바, hot plate, 온도계, 비이커, 셀(cell)

2. 실험 시약

1) 히드로퀴논(Hydroquinone) C6H4(OH)2

- Mw 110.11g/㏖

- 무색의 기둥 모양 결정, 환원성 강함

- mp 170~171℃ d15 10332 bp 285~287℃

- 뜨거운 물, 알코올, 에테르에 녹음, 벤젠에 약간 녹음

- 찬 물에서는 100㎖ 당 5.8g 밖에 녹지 않음

- 밀봉하여 어두운 곳에 보관. 피부나 눈에 닿지 않게 조심히 다룸

- 사진의 현상약에 쓰이며 또한 중합방지제로 이용

 

2) 시트르산 나트륨(Sodium Citrate) C6H5Na3O7

- Mw 258.07g/㏖

- Dihydrate 흰색 무형의 결정 또는 알갱이 또는 가루. 시원하고 짠맛, 공기 중에서 안정, 수용액은 약염기. 1.3배의 물 0.6배의 끓는 물에서 녹음. 알코올에는 녹지 않음

- 수용액은 약알칼리 pH 8

-Pentahydrate 무색의 결정 또는 흰 입자

- Dihydrate만큼 안정하지는 않다.

- 공기중에 노출되면 건조해지고 굳음. 밀봉하여 보관한다.

3) O-펜안트롤린(O-Phenanthroline) C12H₈N₂

- 1,10-phenanthroline = 4,5-phenanthroline

착물형성한 phenanthroline

- Mw : 180.21g/㏖

- 결정, 분자적 구조

- monohydrate 흰색, 결정성 가루, mp 93~94℃

- anhydrate mp 117℃

- ~300℃ 부분적으로 물에 녹음

- ~70℃ 부분적으로 benzene에 녹음

- 알코올, 아세톤에 녹음

 

4) 메틸오렌지 지시약(Methyl orange) C14H14Na3NaO3S

- Mw : 327.34g/㏖

- 등황색의 작은 널빤지 모양 결정

- 물에는 녹으나 에테르에 녹기 어려움

- 산 염기 지시약으로 이용

변색범위 pH 3.1~4.4 (산-붉은색 염기- 등황색 )

 

5) 황산철(Ⅱ)암모늄(Ammonium ferrous sulfate hexahydrate): FeSO4(NH4)2SO46H2O

- Mw 392.16g/㏖

- d 1.864(20℃) 용해도 26.4g/100g(무수염으로 물 20℃)

- 담녹색의 육수화물이 있으며 물염이라고도 부름

- 정팔면체 구조의 [Fe(H2O)}2+ 이온으로 존재

- 에탄올에 녹지 않음

- 100℃이상에서는 분해

- 비교적 풍화 및 산화가 어려움으로 수용액은 용량 분석에 의한 표준 용액으로 쓰임

 

6) 황산(Sulfuric acid): H2SO4

- Mw : 98.08

- d=~1.84 bp=~290

- 깨끗, 무색, 무취, 지성용액

- 강한 탈수성 공기중 또는 유기물질로부터 물을 흡수

- 물과 자유로의 혼합하나 다량의 열을 방출

 

7) 에탄올(Ethanol): C2H5OH

- Mw 46.07g/㏖

- 무색 투명, 특유한 향기, 맛이 있는 액체, 마취성

- d 0.7893(20℃) 0.80645(0℃)

- bp 78.5℃ mp -114.1℃ nD 1.361

- 물과 많은 유기 용매에 잘 녹음

- 실험실과 공장에서 용매로 사용

 

8) 증류수(Water) H2O

- Mw 18.02g/㏖

- 액체, 최고 밀도시 온도 3.98℃

- d 1.000000g/㎖ (3.98℃) d25 0.997 d0(ice) 0.97

_ mp 0℃ bp 100℃

- 가장 잘 알려진 용매

 

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