[기기분석실험]흡수분광법을 이용한 철의 정량 2부

실험 방법

1.시약제조

1) 히드로퀴논용액: 10% 수용액 10㎖

(xg/10㎖)×100= 10% x= 1g

히드로퀴논 1g을 10㎖들이 메스플라스크에 넣고 증류수로 표선에 맞춘다. 히드로퀴논은찬물에 잘 녹지 않는다. 우선 작은 magnetic bar를 넣고 stirring해서 녹이고 그래도 녹지 않을 시에는 온도를 높여서 녹인다. 단 물이 끓어서 증발될 정도까지 온도를 높이면 안된다. 그래도 녹지 않을 시에는 소량의 에탄올을 가한다.

2) 시트르산나트륨 용액: 25㎖ 용액에 6.25g을 녹인 용액

시트르산 6.25g을 25㎖들이 메스플라스크에 넣고 증류수로 표선에 맞춘다.

3) o-펜안트롤린 용액: 결정수 한 개 가진 것의 5% 수용액

(xg/10㎖)×100= 5% x= 0.5g

o-펜안트롤린은 물에 잘 녹지 않는다. ~300℃ 부분적으로 물에 녹기 때문에 우리 실험으로는 물에 녹이기 어렵다. 따라서 o-펜안트롤린 0.5g을 10㎖들이 메스플라스크에 넣고 에탄올 약 2㎖를 넣어 녹여준 후 증류수로 표선까지 맞춘다.

4) 철 표준용액 Fe2SO4(NH4)SO46H2O

0.176g(약0.18g)의 순수한 Fe2SO4(NH4)SO46H2O을 0.25㎖ 진한 황산을 포함하는 25㎖의 물에 녹이고 다시 250㎖들이 메스플라스크에서 묽혀 표선에 맞춘다.

* 황산을 넣어주는 이유: Fe2+이 수산화물로 침전되지 않도록 하기 위해서

 

2. 실험방법

1) Step 1

(1) 철 표준용액 5㎖를 정확히 취하여 100㎖의 삼각플라스크에 넣는다.

(2) 메틸오렌지 지시약을 (1)번의 플라스크에 1방울 가한다.

(3) 같은 삼각플라스크에 뷰렛을 이용하여 시트르산나트륨용액을 지시약의 색이 변할 때까지 적가한다. (적색→등황색)

(4) 이 때 들어간 시트르산나트륨 용액의 부피를 알아 기록해둔다. 그리고 이 용액은 버 려도 좋다.

 

2) Step 2

(1) 100㎖들이 갈색 메스플라스크에 철 표준용액 3.0㎖ 6.0㎖ 9.0㎖ 12.0㎖ 15.0㎖ 씩을 정확히 취하여 넣는다.

(2) (1)의 5개 플라스크에 각각 히드로퀴논용액과 o-펜안트롤린용액을 1㎖씩 가한다.

(3) 같은 5개 플라스크에 시트르산나트륨용액을 위에서 기록해둔 부피만큼 각각 가한다.

(4) 이 5개의 플라스크에 있는 용액들을 10분간 두었다가 표선까지 묽힌다.

-10분간 방치하는 이유: o-펜안트롤린과 철이 착물을 잘 형성하기 위해서이다.

* 부피를 모르는 철 용액도 위와 같은 방법으로 한다.

* 바탕용액: 100㎖들이 메스플라스크에 철 표준용액만을 제외시키고 2에서와 같이 히드로 퀴논용액, o-펜안트롤린용액, 시트르산나트륨용액을 가한다.

 

∴ 주의 사항

① 히드로퀴논용액과 o-펜안트롤린용액은 잘 녹여놨어도 피펫을 사용할 때 시간이 지남에 따라 석출되는 고체가 생기기 때문에 주의해야 한다. 이를 방지하기 위해 물중탕을 해서 피펫을 넣어서 피펫의 온도를 올려준다. 그 후 용액을 피펫에 채워서 가해주면 피펫 안의 온도가 높기 때문에 고체가 석출되는 것을 방지할 수 있다.

② 철 표준용액은 햇빛으로부터 보호해야 하기 때문에 갈색 플라스크를 사용해야 한다.

 

3) Step 3.

(1) 셀 두개에 바탕용액을 채운다.

(2) uv-visible분광광도계의 셀 놓는 위치에 baseline을 찍기 위해 바탕용액을 채운 셀 두개를 뒤쪽Reference cell 자리와 앞쪽Sample cell자리에 배치한다.

(3) Sample cell자리에 있는 바탕용액은 버리고 측정하려는 철용액을 채운다.

(4) Reference cell자리의 바탕용액은 그대로 두고 sample cell자리에 철용액이 든 셀을

배치한다.

(5) 바탕용액에 대한 철용액의 흡광도를 측정한다.

(6) 철의 농도와 흡광도의 관계곡선, 즉 검정선을 작성한다.

 

∴ 주의사항

① cell은 마주보고 있는 불투명한 두면과 투명한 두면으로 되어있는 사면체이다. 이 때 광선이 투명한 쪽으로 들어오기 때문에 셀의 투명한 부분은 가급적 만지지 않도록 하고 cell을 잡을 때에도 cell의 불투명한 부분을 잡도록 한다.

② cell에 용액을 채울때는 우선 증류수로 깨끗이 씻은 후 다시 측정하려는 용액으로 씻는다. 그 후 측정하려는 용액을 담는다.

③ cell에 불순물이 부착되거나 기포가 생기면 후광도에 영향을 주기 때문에 주의해야한다.따라서 cell에 시료용액을 채울 때에는 기포가 생기지 않도록 벽면을 따라서 스포이드로 넣어주어야 하고 cell에 용액을 채우고 흡광도를 측정할 때에 시료용기의 투명한 부분을 깨끗하게 닦아 주어야 한다.

 

3. 기기 사용법

1) uv-visible spectrophotometer을 워밍업을 위해 30분전에 전원을 켜놓는다.

2) uv pc 3.9을 실행한다.

3) Acquire mode - spectrum을 지정한다.

4) Configuration - pc spectrum - photometer serial port 2로 지정한다.

5) Configuration - parameter - Measure 모드를 ABS로 선택하고 Recording을 Low:0.000 High:4.0으로 지정하고 Wave를 Start:600 End:400으로 지정한다.

6) Configuration- utility에서 photo:On상태로 지정하고 Lamp W1, D2에 체크를 한다.

7) 시료를 넣기 전에 baseline을 찍어야 하므로 Sample cell과 Reference cell에 바탕 용액을 셀의 화살표선까지 채워 넣는다.

8) Autozero를 클릭해서 baseline을 선택하고 stand-by한다.

9) Reference cell자리에 바탕용액이 든 셀은 그대로 두고 Sample cell자리에 시료를 넣은 셀을 둔다.

10) Start를 클릭해서 흡광도를 측정한다.

11) 흡광도를 찍은 후 Manipulate - peak pick을 클릭하면 창이 뜬다.

12) 그 창에서 Wavelength(시료의 최대 흡수 파장)와 ABS(흡광도)를 알아본다.

13) 창을 닫고 다음 시료용액의 흡광도를 start를 눌러 측정한다.

∴ 기기 사용시 주의사항

cell을 이 기기에 넣을 때는 입사광선이 들어오는 쪽과 cell의 투명한 부분이 마주볼 수 있도록 cell을 넣어야 한다.

실험 결과

1. 파장(wavelength)에 따른 생성물의 흡광도(ABS) 그래프

2. 철 표준용액 Fe2SO4(NH4)SO46H2O 부피에 따른 생성물의 흡광도와 최대파장

Fe2SO4(NH4)SO46H2O부피(㎖)	Wavelength(㎚)	ABS(흡광도)
3	510.00	0.5054
6	509.80	0.9935
9	509.80	1.5461
12	509.40	2.0275
15	508.40	2.5614

3. 철 표준용액의 농도 구하기

Fe(SO4)(NH4)26H20의 무게: 0.176g(약0.18g)

Fe(SO4)(NH4)26H20의 분자량: 392.146g/㏖

Fe(SO4)(NH4)26H20의 농도: (0.18g/392.146g/㏖)/0.25L = 0.00183605 =1.84×10-3M

 

4. 철 표준용액의 각각의 부피에 대한 농도

철 표준용액 3㎖: 1.83605×10-3M×(3㎖/100㎖) = 5.5081×10-5M

철 표준용액 6㎖: 1.83605×10-3M×(6㎖/100㎖) = 1.10162×10-4M

철 표준용액 9㎖: 1.83605×10-3M×(9㎖/100㎖) = 1.65244×10-4M

철 표준용액 12㎖: 1.83605×10-3M×(12㎖/100㎖) = 2.20326×10-4M

철 표준용액 15㎖: 1.83605×10-3M×(15㎖/100㎖) = 2.75407×10-4M

 

5. 철 표준용액의 농도에 따른 흡광도

Fe(SO4)(NH4)26H20(철 표준용액)의 농도	ABS(흡광도)
5.5081×10-5M	0.5054
1.10162×10-4M	0.9935
1.65244×10-4M	1.5461
2.20326×10-4M	2.0275
2.75407×10-4M	2.5614

 

6. 농도에 따른 흡광도 검정선 작성

(최소제곱법: 측정값을 기초로 해서 적당한 제곱합을 만들고 그것을 최소로 하는 값을 구하여 측정결과를 처리하는 방법)에 의해

a= 9342.510498      y= 9342.51X +b

(철 표준용액 농도 5.5081×10-5M일 때 흡광도 0.5054를 대입)

0.5054=9342.51×5.5081×10-5 +b

∴b= 0.0073295

∴y= 9342.51X + 0.0073295(y=흡광도, X=농도)

 

7. 미지용액 중의 철의 정량

unknown: wavelength-508.80㎚ ABS-2.2802

위 식에 대입한다. 

y= 9342.51X + 0.0073295

2.2802= 9342.51X + 0.0073295

X= 0.000243282 (2.43×10-4M)

1.83605×10-3M × (y㎖/100㎖) = 2.43×10-4M

y= 13.23㎖

→ unknown의 농도: 2.43×10-4M

→ unknown의 부피: 13.23㎖

→ unknown중의 철의 정량

2.43×10-4M× 13.23㎖× 1L/1000㎖× 19.66/100 × 55.847g/㏖ =3.53×10-5

∴ 철의 양: 3.53×10-5g

토의 사항

1. 실험 고찰

본 실험은 흡광도를 측정하여 철을 정량하는 것이다. 먼저 철의 농도가 다른 5가지 표준용액을 만들어 시트르산나트륨으로 pH를 맞추고 환원제인 히드로퀴논과 발색제인 o-펜안트롤린을 가하여 붉은색의 착물을 만든다. uv-visible spectrophotometer로 흡광도를 측정하여 철의농도와 흡광도의 관계선, 즉 검정선을 작성한다. 다음에 농도를 모르는 철용액을 같은 방법으로 발색시켜 흡광도를 측정하여 검정선을 이용하여 철의 함량을 구하는 것이다.

시약을 제조할 때 히드로퀴논과 o-펜안트롤린은 물에 대한 용해도가 작기 때문에 에탄올을 소량 첨가하여 녹여야 한다. o-펜안트롤린은 양이온과 반응하여 안정한 색깔을 띤 착물로 만드는 유기착화제이다. 철은 복사선을 흡수하지 않는 화학종이기 때문에 적당한 시약인 o-펜안트롤린을 반응시켜 자외선 또는 가시선 영역에서 강하게 흡수하는 물질로 바꿔주는 것이다.

Fe2+ + 3PhH+= Fe(Ph)32++3H+

산성용액에서는 펜안트롤늄으로 되고 Fe(Ⅱ)와 반응하면 위와 같이 빨간색인 Fe(Ⅱ) 착물을 만든다. 이 평형상수는 25℃에서 2.5x106이고 pH가 2보다 낮으면 반응이 완전히 진행하지 않는다. 그러므로 보통 pH3.5 정도에서 분석하는 것이 좋다. 메틸오렌지 지식약을 이용하여 시트르산나트륨을 가하여 이 pH를 얻을 수 있다. 메틸오렌지의 변색범위는 pH 3.1~4.4이다. 따라서 용액의 색이 빨간색이 주황색으로 변할 때 시트르산나트륨이 들어간 부피를 알아낸다. 그리고 다른 철 표준용액에 같은 양을 넣어 pH를 맞춰주는 것이다.

또한 철을 환원상태에 있게 하기 위해서 환원제인 히드로퀴논을 넣어준다. 철 표준용액 제조 시에는 우리가 찍는 영역이 가시광선영역이기 때문에 햇빛에 의해서 분해되는 것을 막기 위해서 갈색병에 만들어야 한다. 또한 황산을 소량 넣어주는 이유는 Fe2+가 수산화물로 침전되지 않도록 하기 위해서이다.

우리가 흡광도를 측정하기 위해서 사용한 기기는 uv-visible spectrophotometer이다. 흡광광도계는 홑살형기기와 겹살형기기가 있고 겹살형은 다시 빛살이 공간적으로 분리된 겹살 기기와 빛살이 시간적으로 분리된 겹살 기기가 있다. uv-visible spectrophotometer은 빛살이 공간적으로 분리된 겹살 기기로 baseline을 먼저 찍어서 보정해준다.

cell 에 용액을 채워서 측정하는데 그 재질은 어느 영역의 빛을 사용하느냐에 따라 다르다. cell에 불순물이 부착되거나 기포가 생기면 후광도에 영향을 주기 때문에 주의해야한다. 따라서 cell에 시료용액을 채울 때기포가 생기지 않도록 벽면을 따라서 스포이트로 넣고, 시료용기의 투명한 부분은 깨끗하게 닦아 주어야 한다.

본 실험은 농도에 따른 흡광도를 구하고자 하는 것이기 때문에 용액의 농도를 정확히 해주어야 한다. 농도는 부피로 조절하기 때문에 용액의 부피를 정확히 측정하여 넣어주어야 정확한 결과를 얻을 수 있다.

흡광도를 측정한 후 나온 결과를 토대로 철 용액의 농도에 따른 흡광도의 검정선을 작성한다. 이를 최소제곱법을 이용해서 일차식을 완성하고 이 식을 통해서 농도를 모르는 철용액의 농도를 알 수 있다. 그리고 황산철암모늄에서의 철의 비율과 철의 몰질량을 통해서 철의 양을 알 수 있다. 이를 통해 얻은 철용액의 부피는 13.23㎖이고 철의 양은 3.53×10-5g이다.

참고 문헌

1. Quantitative chemical analysis, Daniel C.Harris

2. Fundamentals of Analytical chemistry, Douglas A.skoog

3. 분석화학·기기분석, 최재성 신광문화사

4. 기본분석화학, 박기채 탐구당

5. 쉽게 배우는 대학 분석화학 형설출판사

6. 기기 및 분석화학 실험, 최재성 신광문화사

7. 분석화학실험의 기본, 정용순 형설출판사

8. 분석화학실험 기기사용법, 이동선 도서출판 대웅

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