[일반화학실험]무기 안료의 합성

실험 목적

안료로 사용되는 무기화합물을 합성하여 그 특성과 응용에 대하여 알아본다.

실험 이론 및 원리

1. 안료 (Pigment)

물, 기름 등에 녹지 않는 여러 가지 빛깔을 가진 분말로서, 유기안료와 무기안료로 구별된다. 일반적으로 인쇄잉크, 도료 및 플라스틱, 고무 등의 착색제로 사용된다. 단순한 증량제, 전색 재료 또는 체질변경제로서 쓰이는 것도 포함된다.

 

2. 유기안료 (Organic Pigment)

유기화합물로 이루어진 유기안료는 물에 녹지 않는 것과 물에 녹는 물감을 금속 염류 등인 침전제로써 녹지 않게 한 것(레이크)이 있다. 무기안료에 비하여 일반적으로 착색력이 크고 색상이 선명한 것이 많으며, 색의 범위는 치환기에 의하여 변경시킬 수 있다. 열안정성은 무기안료보다 나빠서, 300℃ 이상인 가열 착색 조건에서는 사용할 수가 없다. 

합성 직후 입자가 거칠고 큰 안료를 진한 황산에 녹이고, 용액을 많은 냉수에 넣어서 미세한 입자를 석출시키면 안료에 큰 착색력과 선명도를 가지게 할 수 있다. 이러한 처리를 안료화(미립자화)라고 하여, 프탈로시아닌 ·디옥사진 ·안트라퀴논계열 등인 유기안료에 응용된다.

안료는 자연에 존재하는 원료를 곱게 갈아서 만든 광물성 안료와 화학적인 처리를 거쳐서 만들어진 화학 안료로 구분하기도 하고, 색깔에 따라서 분류하기도 한다. 주로 금속 원소의 화합물인 무기물이 주로 안료로 사용되어 왔지만, 최근에는 탄소를 포함하는 유기안료도 다양하게 개발되어 사용되고 있다.

 

3. 무기안료 (Inorganic Pigment)

무기물질로 이루어진 무기안료는 유기안료에 비해서 일반적으로 안정하여 색이 변하지 않는 것이 특징이다. 색깔이 짙은 무기화합물은 페인트나 물감의 색깔을 나타내는 무기안료(inorganic pigment)로 많이 사용된다. 안료는 액체 또는 고체 결합제(binder)와 혼합하여 사용함으로써, 안료를 사용하는 재질의 색깔을 바꾸어주거나 보호해주는 역할을 한다. 안료로 사용되는 화합물이 빛을 흡수하면 보색에 해당하는 색깔이 나타나게 된다. 또한 안료와 결합제의 굴절률의 차이 때문에 나타나는 산란현상으로 외부에서 쪼여지는 빛이 안료를 칠한 재질에 닿지 않게 되어서 재질을 보호하는 역할도 하게 된다.

백색 안료로는 탄산 납, 황산 납 또는 산화 납 화합물이 많이 사용되었지만, 최근에는 납의 유해성 때문에 산화 아연, 황화 아연 또는 이산화 타이타늄(TiO2)이 많이 사용되고 있다. 검정색 안료로는 주로 카본 블랙(Carbon Black)이 사용된다. 그 밖의 색깔을 나타내는 유색 안료로 사용되는 화합물들은 다음과 같다.

색	화 합 물
적 색	Fe2O3,Pb3O4,HgS
황 색	PbCrO4,ZnCrO4,CdS-ZnS
녹 색	Cr2O3,Cr2O(OH)4,Cu(C2H3O2)-2Cu(OH)2,Cr2O3-Al2O3-CoO
청 색	Fe4[Fe(CN)6]3,CoO-Al2O3,Na8(Al6Si6O24)S24

 

안료와 함께 사용되는 결합제는 안료가 재질에 단단히 달라붙도록 해주는 역할 이외에도 재질의 부식 등을 막아주는 역할도 한다. 페인트와 같은 경우에는 재질의 표면에 단단한 필름을 형성하는 고분자 물질을 용매에 녹인 결합제를 사용한다. 최근에는 다음과 같이 다양한 기능을 가진 결합제와 첨가제를 사용한 기능성 도료도 개발되고 있다.

 

안료를 그림 물감 등에 사용할 때에는 우유나 치즈에서 분리한 카세인(Casein)을 결합제로 사용하기도 한다. 카세인은 락토알부민과 락토글로부린과 같은 단백질을 포함하고 있는 몇 가지 인단백질(phosphoprotein)의 혼합물로 우유에서는 방사 모양으로 뭉쳐진 고분자 미셀의 형태로 존재한다. 카세인은 우유에 아세트산과 같은 산을 넣으면 침전으로 분리된다.

 

4. 카세인 (Casein)

인단백질의 하나로서 건락소라고도 하며, 젖의 주요 단백질이다. 우유 속의 카세인 함량은 3.0%, 사람 0.9%, 말 1.3%, 개 4.8% 이다. 보통은 우유에 산류(아세트산, 황산, 또는 젖산)를 가한 다음 침전시켜서 만든다. 백색으로서 맛도 냄새도 없는 가루이다. 물이나 유기용매에는 녹기 어려우나, 묽은 알칼리에는 녹는다. 아미노산을 모두 함유한 영양성 단백질로서 중요하다.

우유 카세인은 일단 α-카세인, β-카세인, γ-카세인으로 분류한다. 젖 또는 카세인의 용액은 렌닌의 작용으로 응고하여, 파라카세인 또는 레넷카세인으로 된다. 이때 원래의 카세인을 카세이노겐이라고도 한다. 치즈의 원료는 파라카세인이다. 단백질가수분해효소의 활성 측정용 기질로서, 비타민을 함유하지 않은 식품은 비타민 시험용 동물의 사료로서, 또는 접착제 ·수성도료 등으로 이용된다.

 

5. 인단백질 (Phosphoprotein)

단순단백질에 인산 특히 오르토인산이 공유결합한 복합단백질을 총칭한다. 인산은 히드록시아미노산(세린, 트레오닌) 잔기의 히드록시기와 에스테르결합하여 모노 및 디에스테르로서 들어 있는 것으로 보고 있다. 식염수에 녹지만 등전점(산성구역)에서는 녹지 않는다. 대부분은 가열에 의하여 고체화되지만, 그때 약간 분리하여 인의 손실이 따른다. 젖샘 ·간장에서 생성되고, 젖이나 노른자위에 들어 있다. 소젖의 카세인, 달걀 노른자위의 비텔린이나, 포스비틴이 대표적이다. 이들은 발육중인 생체에 대한 인의 보급원으로 여겨지고 있다.

실험 기구 및 시약

1. 실험 기구

감압여과장치, 건조기, 가열기, 비커, 시험관

 

2. 실험 시약

NH4Fe(SO4)2·3H2O, K4Fe(CN)6, 우유, 식초

실험 방법

실험 A. 안료 합성

1. 두개의 시험관에 더운 물을 반정도 채운 뒤, NH4Fe(SO4)2 0.2g과 K4Fe(CN)6 0.2g을 각각 넣어서 녹인 후에 두 용액을 섞으면 침전이 형성된다.

2. 거름 종이로 침전을 걸러서 건조시킨다.

 

실험 B. 카세인 분리

1. 500㎖ 비커에 우유 200㎖를 넣고, 식초 20㎖ 정도 넣고 서서히 저어준다.

2. 용액이 끓지 않을 정도로 서서히 가열하면 침전이 형성된다.

3. 실온까지 냉각시킨 후에 거름종이로 침전을 거른 후에, 부드럽게 짜서 물기를 제거한다.

4. 카세인을 건조시킨 후에 막자 사발로 분쇄하고 무게를 측정한다.

 

실험 C. 그림물감 제조

1. 증발 접시에 소량의 카세인을 넣고 물을 넣어서 걸쭉한 반죽을 만든다.

2. 카세인과 같은 양의 색소를 넣고 잘 섞어준다.

실험 결과

1. 실험 data

NO.	거름 종이 무게(g)	거름 종이+침전물 무게(g)	침전물 무게(g)
1	0.8585	3.7699	2.9114
2	0.8573	1.0229	0.1656
3	0.8504	1.2022	0.3518
4	0.8564	0.9816	0.1252
5	0.8596	2.1580	1.2984
6	0.8661	3.5639	2.6978
카세인	0.8467	4.6794	3.8327

그림 물감

 

위에서부터 순서대로 CaCO3, CoFe(CN)6, Fe(OH)3, KFe2(CN)6, CoSiO3, CoCO3로 흰색, 회녹색, 갈색, 파란색, 보라색, 연보라색을 띄는 것을 확인할 수 있다.

토의 사항

1. 실험 고찰

1) 각 침전물 가루와 영상에서의 색이 잘 나왔는지 다른 이미지와 비교해 보아라

	실험 결과	다른 이미지
CaCO3
CoFe(CN)6
KFe2(CN)6
CoCO3

다른 물감은 색이 비슷한 반면, CoFe(CN)6(회녹색)에서는 확연한 차이가 보인다.

 

2) 각각의 침전물이 왜 이러한 색상을 띄는가?

색소가 색을 띠는 원리에 대해 먼저 알아보자. 우리가 어떤 색을 관찰하는 과정은 빛을 감지하는 과정이다. 특정 광원으로부터 나온 빛은 물체의 반사되어 우리의 눈에 들어와 시신경을 자극하게 된다. 이 과정 중에서 물체는 전체의 빛 중에서 일부는 흡수하고 일부는 반사하게 된다. 이 과정에서 반사되는 빛만을 우리가 감지하게 되는 것이다. 예를 들어 백색광이 물체를 비추어서 노란색의 빛을 물체가 흡수하게 된다면 그 보색인 파랑색의 빛만이 반사되어 우리의 눈에 들어오게 되어 그 물체는 파랑색으로 보이게 되는 것이다. 그렇다면 물체는 왜 어떤 색의 빛은 흡수하고 어떤 색의 빛은 반사하게 될까?

 

주로 무기 물질들은 착화합물에서의 결정장 갈라짐 현상을 통해 색이 띠게 된다. 착화합물은 전이 금속이 주로 중심 금속이 되어 비공유 전자쌍을 가진 원자나 원자단이 리간드가 되어 중심 금속에 배위 결합을 형성하는 것이다. 그런데 이 때 중심 금속이 되는 전이 금속의 경우 이와 같은 배위 결합에 의해 영향을 받을 수 있는 크기의 d오비탈을 가지고 있어서, 리간드가 결합하게 되면 전자간의 반발력으로 인하여 d오비탈의 에너지준위가 높아지게 된다.

 

그런데 d오비탈마다 입체적인 형태가 다르므로, 반발력의 크기가 달라지게 되고 상승하는 에너지 준위에 차이가 생기게 된다. 예를 들어 6배위 화합물의 경우 축을 항하고 있는 d(x2-y2), d(z2)의 에너지 준위가 dxy, dyz, dzx 보다 높아지게 된다. 이와 같이 형성되는 에너지 갈라짐을 결정장 갈라짐이라고 말하며, 그 에너지차이의 크기를 결정장 갈라짐 에너지라고 한다. 즉, 이 특정한 크기의 에너지에 해당하는 파장의 빛만을 흡수하게 된다. 이 때 이 크기가 가시광선 영역이 될 경우 흡수하는 빛의 보색이 나타나게 된다.

 

이 때 에너지를 흡수하는 과정이 전자 전이로 인한 것이므로, d5 착화합물의 경우 옅은 색을 띠게 되며(전자 전이를 위해서 스핀 플립이 필요하므로), d10 착화합물의 경우 색을 띠지 않는다(전자 전이가 일어날 공간이 없으므로).

 

3) 각 시약들의 역할은 무엇인가?

안료는 액체 또는 고체 결합제(binder)와 혼합하여 사용함으로써, 안료를 사용하는 재질의 색깔을 바꾸어주거나 보호해주는 역할을 한다. 안료로 사용되는 화합물이 빛을 흡수하면 보색에 해당하는 색깔이 나타나게 된다. 

또한, 안료와 결합제의 굴절률의 차이 때문에 나타나는 산란 현상으로 외부에서 쪼여지는 빛이 안료를 칠한 재질에 닿지 않게 되어서 재질을 보호하는 역할도 하게 된다. 안료와 함께 사용되는 결합제는 안료가 재질에 단단히 달라붙도록 해주는 역할 이외에도 재질의 부식 등을 막아주는 역할을 한다.

 

카세인은 락토알부민과 락토글로불린과 같은 단백질을 포함하고 있는 몇 가지 인단백질의 혼합물로 우유에서는 방사 모양으로 뭉쳐진 고분자 미셸의 형태로 존재한다. 카세인은 우유와 아세트산과 같은 산을 넣으면 침전으로 분리된다.

참고 문헌

1. 서울시립대학교, 교양화학, 일반화학실험

2. 옥스토비의 일반화학 제6판, Oxtoby·Gillis·Campion, 화학교재연구회 역, 사이플러스, 2008, p.322~333, 382~386, 724.