[분석화학실험]유기분광학적기기(IR)를 통한 염화수소 기체의 이해(Analyze IR Spectrum of Hydrochloride) 2부






실험 방법


1. 실험 과정

1) FT-IR 조립

① 홀더 속에 O-Ring을 넣는다. 이때 O-ring은 홀더와 KBr disk사이의 마찰을 막아준다.


② KBr disk를 넣고 spacer를 넣는다. spacer는 KBr disk와 유리튜브가 잘 packing 되게 해주며, TEFLON으로 만들어져 다른 물질과 잘 반응 하지 않는다.


③ 유리 튜브를 넣고 teflon spacer - KBr disk - O-Ring의 순서로 넣고 홈통을 닫는다.


④ 후드에 있는 HCl 액체 용기를 열고 주사기로 액체 위의 기체를 2-3번 뽑아낸 다음 HCl 기체를 담아 유리 튜브에 3-4번 넣고 코크를 닫는다.


⑤ 홀더를 IR 기기에 넣는다.

그림 1 IR 조립 모습 및 구상도


2) 기체시료의 IR 측정과정

① 기체 시료를 넣을 Cell을 조립한다.

-검은 통에 고무 고리, 유리 렌즈, 종이 고리, 유리 셀, 종이 고리, 렌즈, 다시 고무 고리 순으로 넣고 마개를 돌려 닫는다.

- 유리가 깨질 위험이 있으므로 마개를 너무 세게 닫지 않도록 한다.

- 이물질이 묻으면 곤란하므로 장갑을 끼고 하도록 한다.


② FT-IR장치와 연결된 컴퓨터를 켠다.


③ 프로그램을 열고 Experimental Set Up을 한다.

- 기본 설정 값으로 한다.


④ 기기에 아무 것도 넣지 않은 상태로 Base line Collection을 한다.



⑤ Cell에 기체 시료를 주입하고 기계에 장치하여 Data Collection을 한다.

- 액체 HCl 시료가 든 갈색병 위쪽의 기체를 주사기로 포집하여 셀에 주입한다.

- 셀에 기체 시료로만 차게 하기 위하여 기체 주입시 처음 두번 정도는 양쪽을 다 열고, 다음 두세번 정도는 한쪽 밸브를 잠그고 한다.


⑥ 화면에 표시된 그래프를 확인한다.

 

3) IR 측정 결과 소프트웨어 설정

① IR 기기 전원을 켠다.


② 바탕화면에서 OMNIC 아이콘을 클릭한다.


③ Menu Bar에서 experimental setup을 click하여 아래와 같이 작업을 수행한다.


④ Experiment setup 내에 collect를 click하면 아래와 같은 Dialog Box가 나온다.


⑤ Scan 수는 32, 해상도는 1로 조정한다.


⑥ Background Collection을 눌러 Background data를 얻는다. (유리 튜브를 넣지 않고 찍는다)


⑦ Background Collection이 끝나면 Sample을 Holder에 설치한 뒤에 Sample Collection을 한다.


⑧ Menu Bar에서 Find Peak를 Click하여 Peak를 찾는다.


⑩ 두 그래프가 합쳐진 data를 저장하고 프린트로 인쇄한다.



실험 결과

1. 결과 분석

1) IR의 피크와 강도

환산질량을 각각의 피크에 대하여 구해보면 다음과 같다.(35Cl과 37Cl에 대해서는 결론에서 서술)




환산질량과 B의 값을 이용하여 결합길이를 구하는 식을 정리해보면 다음과 같음을 알 수 있다.



힘 상수 k값을 구하는 식은 아래와 같으며 값을 대입하여 계산해보면 아래와 같은 결과가 된다.



 

 

Low(㎝-1)

2B(㎝-1)

B(㎝-1)

Re(Å)

1

2725.62

24.25

12.125

1.191278443

2

2749.87

23.69

11.845

1.20527632

3

2773.56

23.14

11.57

1.219515929

4

2796.7

22.58

11.29

1.234545741

5

2819.28

21.97

10.985

1.251567065

6

2841.25

21.49

10.745

1.265467357

7

2862.74

41.06

10.265

1.294716491

8

2903.8

19.61

9.805

1.324739109

9

2923.41

18.97

9.485

1.346900422

10

2942.38

18.33

9.165

1.37021249

11

2960.71

17.7

8.85

1.394384419

12

2978.41

17

8.5

1.422802743

13

2995.41

16.35

8.175

1.450809117

14

3011.76

15.62

7.81

1.484323761

15

3027.38

14.95

7.475

1.517219997

16

3042.33

 

 

 

표1 37Cl에 대한 결합길이와 힘 상수

 

 

High(㎝-1)

2B(㎝-1)

B(㎝-1)

Re(Å)

1

2651.58

25.73

12.865

1.155634

2

2677.31

25.32

12.66

1.164953

3

2702.63

24.73

12.365

1.178768

4

2727.36

24.24

12.12

1.190622

5

2751.6

23.75

11.875

1.202842

6

2775.35

23.18

11.59

1.217541

7

2798.53

22.62

11.31

1.23252

8

2821.15

22.02

11.01

1.249199

9

2843.17

21.51

10.755

1.263922

10

2864.68

41.12

10.28

1.292792

11

2905.8

19.66

9.83

1.322052

12

2925.46

18.98

9.49

1.345526

13

2944.44

18.39

9.195

1.36694

14

2962.83

17.7

8.85

1.393329

15

2980.53

17.09

8.545

1.417977

16

2997.62

16.36

8.18

1.449268

17

3013.98

15.66

7.83

1.481305

18

3029.64

14.97

7.485

1.515059

19

3044.61

14.3

7.15

1.550145

20

3058.91

13.49

6.745

1.596005

21

3072.4

 

 

 

표2 35Cl의 피크에 결합길이와 힘 상수


2) IR측정 결과 그래프

① 대칭적인 두 개의 피크(peak)가 나타난다.

② 두 개의 연속적인 피크 사이에는 공백이 존재한다.

③ 각각의 한 줄기의 피크는 두 갈래로 갈라져 있다.

④ 갈라진 피크의 강도(intensity)는 큰 차이를 보인다.

⑤ 피크 사이의 간격이 그래프상 오른쪽으로 갈수록 그 값이 커진다.([그림2] 참조)

⑥ 피크의 분포가 bell curve와 유사하다.


그림 2 HCl 기체의 IR 측정 결과


그림 3 wave number에 따른 B값의 비교

그림 4 wave number에 따른 Re 비교



토의 사항

1. 실험 고찰

우리는 지금까지 염화수소기체(HCl)의 IR 측정 그래프를 이용하여 결합길이와 힘 상수 k 값을 구해보았다. hyperchem에서의 값과 비교한 결과 실제로 2800주위에서 많이 나타났으며 이는 진동-회전 스펙트럼과 잘 일치한다. 


그림 5 HyperChem으로 계산한 HCl의 IR vibration 스펙트럼

이번 실험은 양자역학적 가정으로 가능하였으며, 우리는 위의 IR 그래프의 결과들에 대한 원인을 찾아 볼 필요가 있다. 다음의 그림은 문헌에서 발췌한 염화수소 기체의 스펙트럼이다. 다음의 그림과 인터넷에서 찾은 자료를 이용하여 이를 설명하고자 한다.

 

그림 6 문헌에서 발췌한 HCl IR spectrum

 

① 대칭적인 두 개의 피크(peak)가 나타난다.

먼저 피크는 에너지준위에 변화가 생기면서 발생한다. 그리고 두 개의 피크가 발생하는 것은 허용된 전이 ΔJ=±1이기 때문이다. 쉽게 말해서 회전운동 에너지준위가 -1이 될 수도, +1이 될 수도 있다는 것을 의미하며 그림 상에서 오른쪽이 J=1, 왼쪽이 J=-1에 해당한다.

 

② 두 개의 연속적인 피크 사이에는 공백이 존재한다.

위의 ①에서 두 개의 분리된 피크의 집합은 J의 변화 때문에 생김을 확인하였다. 가운데는 위의 그림에서 확인할 수 있듯이 center frequency, 혹은 아래의 그림과 같이 Q branch 라고 불리며 J=0인 지점에 해당한다. 따라서 위의 표들에서 회색으로 음영이 들어간 부분은 center frequency를 포함하는 부분이며 따라서 2B가 아닌 4B를 의미하게 된다. 그리고 IR 스펙트럼에서 branch는 Q branch와 더불어 이를 기준으로 좌우를 각각 P branch, R branch라고 일컫는다.


그림 7 P, Q, R branch

그림 8 회전운동 에너지준위의 변이


③ 각각의 한 줄기의 피크는 두 갈래로 갈라져 있다.

이러한 특성은 동위원소에서 기인한다. 실제로 자연계에는 두 종류의 Cl원소가 존재한다. 하나는 35Cl이고 다른 하나는 37Cl이며 약 2㎝-1의 차이가 있다. 결과에서 피크를 분리하여 계산한 것은 동위원소에 따른 질량이 다르기 때문이며, 서술하진 않았지만 이 사실을 바탕으로 계산하였다.

 

④ 갈라진 피크의 강도(intensity)는 큰 차이를 보인다.

갈라진 피크에서 상대적인 차이가 나는 것은 바로 동위원소의 존재 비율 때문이다. 상대적으로 우리는 35Cl과 더 익숙하며 실제로 3:1의 비율로 존재한다고 한다. 이를 미루어 볼 때 높은 intensity의 피크가 35Cl이며, 낮은 intensity의 피크가 37Cl일 것임을 예상할 수 있다.

 

⑤ 피크 사이의 간격이 그래프 상 오른쪽으로 갈수록 그 값이 커진다.

본래 피크 사이의 간격은 2B로 일정하다. 그러나 실제로 실험을 해보면 이론과는 다르게 약간의 오차를 나타냄을 알 수 있다. 이는 왼쪽의 그래프에 의해 잘 설명된다. 우리가 가정한 진동은 harmonic oscillation이다. 그러나 실제 상황에서는 anharmonic oscillation이 발생하며 이로 인해 평균결합길이가 항상 일정한 것이 아니라 약간 증가하게 된다. 더하여 HCl은 결합길이가 항상 일정한 강체가 아니기 때문에 원심력에 의한 변화도 존재할 수 있다. 이로 인해서 wave number가 작아질수록 그 폭이 증가하는 것이다.([그림3] 참조)


그림 9 진동에서의 이론과 실제의 차이

 

⑥ 피크의 분포가 bell curve와 유사하다.

쉽게 지나칠 수도 있는 사실이지만 이를 설명할 필요는 있다. 동위원소들의 상대적 강도 차이는 설명이 되지만, 전체적인 피크의 경우는 설명이 미약한 것이 사실이다. 이를 설명하기 위해서는 두 가지의 이론이 필요하다. 첫째는 에너지 준위이다. 오비탈 상에서 s, p, d, f가 됨에 따라 에너지 준위의 수가 늘어나듯이 회전운동 에너지준위에서도 마찬가지이다. J의 값이 커질수록 그 가능성은 더욱 더 증가하며 따라서 피크가 상승하게 되는 것이다. 그렇다면 감소하는 것은 왜일까. 두 번째로 확률이 이를 설명해 줄 수 있다. 아무리 가능성이 많더라도 에너지 차이가 크면 그 가능성도 줄어들기 마련이다. 피크가 점점 감소하는 것은 확률적으로 그 에너지 준위에 도달하기 어려움을 의미한다.

 

본 실험은 비록 염화수소의 IR 스펙트럼을 구한 간단한 실험이었지만, 이를 분석하고 계산하는 과정에서 많은 이론을 요구한다. 분자오비탈, 분광분석법 그리고 회전과 진동에 관한 전반적인 지식이 바탕이 되어야 되는 실험이었기에 보고서를 작성하는 데에 있어서 많은 어려움이 있었고, 많은 시간이 걸렸다. 그러나 이렇게 직접 해봄으로써 분자의 진동과 회전 그리고 분광분석법에 대한 폭넓은 이해가 가능했으며, 많은 도움이 되었다.






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