[화학공학실험]미지 물질의 정량분석 1부

실험 목적

1. 분광분석기의 원리 이해

2. 시료처리 기법 습득

3. 물질의 화학구조와 빛의 흡수관계 이해 (정성분석법)

4. 농도와 빛의 흡수량과의 상호작용 이해 (정량분석법)

실험 이론 및 원리

1.서론

물질의 구성성분과 함량을 분석하기 위해서는 여러 가지 기기(NMR, MS, IR, Raman, 열 분석기, Chromatograph, X-ray,...)가 이용되는데 이중 UV/Vis Spectrophotomer는 물질의 농도를 분석하는데 간편하고 정확성이 우수하므로 오래 전부터 널리 이용되고 있다.

 

2. 자외/가시선 분광분석법

각 물질들은 그 물질을 구성하는 입자들이 고유하게 흡수하는 복사선 영역이 있다. 이러한 물질의 성질을 이용하여 측정하고자 하는 시료에 빛(에너지)을 쪼여 시료표면에 전자전이 상태(들뜸 상태)로 만들어 준다. 이때 분자내의 전자구조 즉 분자의 화학결합 상태 및 기하학적 구조 등의 특징에 따라 흡수되는 빛 에너지의 크기 및 세기가 다르게 나타난다. 이런 특징을 이용하여 분석을 하는 것이다.

 

3. 전자전이(Electronic transition)상태

바닥 상태(안정한 상태)에 있는 분자에 자외선 및 가시선을 쬐어주면 분자는 이를 흡수하여 가장 바깥 궤도함수에 있는 전자가 높은 에너지 상태로 들뜨게 되고, 이 때 자외/가시광선 흡수 스펙트럼이 나타난다.

자외/가시광선 스펙트럼을 나타낼 수 있는 예상 물질을 들면 유기 화합물과 무기화합물(착화합물 또는 금속이온)을 대별할 수 있다.

유기화합물은 두 원자가 결합하여 분자를 합성하면 결합에 관여한 전자들은 분자 궤도 함수라고 하는 새로운 궤도 함수에 존재하게 된다. 이말은 두 원자의 궤도 함수가 겹쳐 2개 또는 이상의 분자 궤도 함수를 형성한다. 그 중에서 에너지 준위가 낮은 것을 결합 궤도 함수, 에너지가 높은 것을 반결합 궤도 함수라고 한다.

1) σ와 π결합을 가지는 가지는 공유결합의 경우 σ→σ* π→π* 의 전이발생

2) 비공유 전자쌍을 지닌 O, S, N 과 할로겐 원자의 경우 σ→σ* π→π* 의 전이발생

3) σ, π, 비공유 전자쌍(n)을 지닌 C=O:의 경우 σ-σ* > σ-π > n-σ* > π-π* > n-π* 순의 전이발생

전이종류	흡수영역	특성 및 실예
σ-σ* σ-π*	진공자외선 100 - 150㎚	높은 자외선파장 가외/가시광선 분광계에서 취급하는 차장은 200㎚ 이상이므로 이들에 대한 흡수 피크 나타나지 않는다. 가장 높은 에너지 흡수 진공상태에서만 관찰 가능, 포화결합 화합물, 용매역할 예 : 메탄 125㎚ 프로판 135㎚
n-σ*	원자외선 180 - 250㎚	분자 내에 할로겐, O, S, N과 같이 비결합성 전자를 가지는 원자를 포함할 때 일반적으로 흡수를 일으킴 예 : 아세톤 190㎚ 메틸알코올 183㎚ 메틸아민 213㎚ 트리메틸아민 227㎚
π-π*	자외선 170 - 190㎚	π결합이 컨주게이션을 이루지 않는 분자에서 전이에 필요한 흡수파장 중간에너지 흡수 완전히 허용된 전이 (εmax≥10,000) 예 : 에틸렌 165㎚(컨쥬게이션 아닌 경우) 부타디엔 217㎚ 헥사트리엔 256㎚
n-π*	근 자외선 또는 가시광선 280㎚ 이상	가장 작은 에너지 필요 불포화 발색단을 포함하는 화합물, 금지된 전이(εmax≤100) 극성용매에서 단파장이동, OH, NH2, SH기 등이 치환되면 장파장 이동 예 : 니트로부탄 665㎚ 아세트알데히드 290㎚ 아세톤 279㎚

 

대부분의 무기화합물, 특히 금속 이온들은 유기 혼합물과는 달리 자외선 및 가시선의 빛을 흡수하지 않거나 흡수하더라도 그 세기가 대단히 약하다. 그러나 금속이온과 리간드가 배위 결합을 하여 형성하는 착화합물들은 특유의 색깔을 띠므로 가시선 영역의 빛을 흡수하게 된다.

 

금속 착화합물의 자외선 및 가시광선의 흡수가 일어나는 금속 이온의 3가지 전이

d-d 전자전이	전이 금속이온들은 바깥 껍질인 d궤도 함수에 전자를 가지고 있다. 리간드와 배위결합을 하기 전 유리금속이온의 다섯 개 d궤도 함수들은 에너지가 분리되지 않고 축퇴된 상태에 있다. 그러나 배위결합을 일으키기 위해 금속이온 주위에 리간드가 접근하게 되면 결정장 이론 또는 리간드장 이론에 따라 금속 이온의 d 궤도 함수와 전자쌍을 가지고 있거나 음이온성인 리간드가 서로 정전기적 반발을 일으켜 d궤도 함수의 에너지 준위가 갈라지게 된다. 에너지 준위차에 의해 특유한 색이 나오게 됨
전하 이동 전이	착화합물 내에서 리간드로부터 금속으로 또는 금속으로부터 리간드로 전자가 이동되는 완전히 허용된 전이 εmax = 104 ~ 105 ․σ궤도 함수의 전자가 금속이온의 채워지지 않는 궤도 함수로 이동하는 형태 ․π준위의 전자가 금속 이온의 채워지지 않는 궤도 함수로 이동하는 형태 ․σ궤도 함수의 전자가 리간드의 채워지지 않는 π-궤도 함수로 이동하는 형태
리간드 내에서 의 전자전이	금속 이온과 착화합물을 이루는 리간드는 대부분 유기화합물이다. 자외선 및 가시광선 흡수가 가능한 발색단을 가지고 있음 σ-σ*, n-σ*, π-π*, n-π* 전이가 용이하다. 그러나 리간드가 단독으로 있을 때와는 달리 금속 화합물을 형성하면 최대 흡수 파장(λmax)이나 몰 흡광계수(εmax)가 약간 변함

 

4. 정성분석과 정량분석

1) 정성분석 원리

정성분석 : 시료 속에 함유되어 있는 미지성분의 종류를 알기 위한 화학분석.

분자가 빛 Energy를 흡수하면 결합전자가 들뜨게 되는데 이는 결합형태와 깊은 관계가 있으므로 분자내의 작용기 확인에 유용하다. 단일 결합을 이루는 전자 (sigma 결합전자)를 들뜨게 하기 위해서는 대단히 높은 Energy를 필요하며 흡수파장은 185㎚이하이다. 

그리고 UV 및 Visible Spectrum은 IR이나 Raman Spectrum에 비해 넓은데 그 이유는 전자 전이에 진동 전이가 중첩되어 서로 합해진 Spectrum 선이 나오기 때문이다. 분자 전자의 Energy준위표는 다음과 같은데 Energy준위사이의 전자전이는 빛의 흡수에 의해 일어난다.

① σ-σ* 전이

분자의 결합 σ 궤도 함수에 있는 전자는 복사선을 흡수하여 해당하는 반결합궤도함수로 들뜬다. 이때 필요한 Energy는

C - H 결합 : 125 ㎚

C - C 결합 : 135 ㎚

 

② n-σ* 전이

비공유 전자쌍을 갖는 분자에서 흡수가 일어나며 Energy는

CH3OH : 184 ㎚

CH3NH3 : 215 ㎚

CH3Cl : 173 ㎚

 

③ n-π*, π-π* 전이

π궤도함수를 갖는 불포화 작용기가 있는 화합물에서 전이가 일어나며 200 - 700 ㎚ 영역에서 흡수되므로 UV/Vis은 주로 이러한 물질 분석에 이용된다. (표 참조)

흡수파장은 치환기의 종류, 사용된 용매에 따라 변화되므로 주로 Reference 물질과 비교함으로서 성분을 확인할 수 있다. 그리고 사용된 용매는 측정 파장에서 빛의 흡수가 일어나지 않아야 한다.

 

2) 정량분석 원리

정량분석: 시료 속에 포함되어 있는 미지성분의 물질량을 구하기 위한 화학분석

두께가 b인 용기에 농도 c인 용액을 채운 후 빛 P0를 투과시키면 빛은 용액에 흡수되므로 P만큼만이 통과되어 나오게 된다. 따라서 빛의 투광도 (Transmittance), T는 T= P/P0 로 나타낸다. 

그러나 농도분석에는 투광도 대신 흡광도 (Absorbance) A를 이용하는데, A= -log10T = log P0/P 로 표시된다. 흡광도는 빛이 용액을 통과하는 두께와 흡광화학종의 농도에 정비례한다.

A= abc ( Beer 법칙 )

a : 흡광계수 (Absorptivity ), b : 용기의 두께, ㎝, c : 용액의 농도 , mole/l

보통 용기의 크기는 고정되어 있으므로 표준용액의 농도를 다양하게 (3 개 이상) 변화시켜 흡광도를 측정한 후 농도와 흡광도와의 관계 그래프를 작성하여 미지시료에 대한 농도를 구한다.

 

※ 주의 : Beer법칙은 측정농도 범위에서만 성립하므로 Standard Curve 작성 및 시료 농도 선정에 신중을 기해야 한다. (보통 0.01 M - 10-6 M 범위가 적당)

기기에 의한 편차를 줄이기 위해서는 빛을 완전 차단했을 때 검출된 빛의 양을 󰡒0󰡓로, 용매만 담긴 용기를 장착한 후 빛을 통과시켰을 때 󰡒100󰡓이 되게 조정한다.

 

3) Beer-Lambert의 법칙

① 빛의 투광도(Transmittance, T) : T = I/I0 = exp(-abC)

② 흡광도(Absorbance, A) : 투광도 역수의 상용로그

A = log(1/T) = log(I0/I) = abC

4) 원자흡수 분광법 : a=Kλ(흡수계수), UV 분광법 : a=ε(몰 흡광계수)

 

5) 정량분석 : 검량곡선을 그림(A=kC, 여기서 k=εb)

 

① 표준시료를 이용하여 기울기로부터 k를 계산

② 미지시료의 흡광도를 UV를 이용하여 측정

③ A=kC의 수식에서 농도(C)를 계산

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