[일반화학실험]은 나노 입자의 형성 1부

실험 목적

은 나노 입자를 합성하고 그 물리적 성질의 변화를 관찰한다.

실험 이론 및 원리

1. 나노와 나노 입자 (Nano & Nano particle)

나노는 10억분의 1 (10-9) 배를 나타내는 접두어로, 한 변의 길이가 1~100㎚의 크기를 가지는 입자를 나노 입자라고 한다. 어떤 물질의 입자 크기가 나노미터 크기가 되면 기존의 벌크(Bulk) 상태의 성질을 잃고 새로운 나노 입자만의 성질을 가지게 된다.

 

2. 나노 입자 특성

1) 광학적 특성 (색의 변화)

벌크 상태일 때와 나노 상태일 때의 색상이 차이가 나는 것으로 이는 흡수하는 파장 영역이 변화하기 때문이다. 입자 크기에 따라 나노 입자의 색상이 달라지는 것을 관찰할 수 있다.

 

2) 화학적 특성

모든 물질은 큰 덩어리에서 작은 덩어리로 쪼개짐에 따라 물질 전체의 표면적이 급격히 커지게 된다. 이로 인해 나노물질은 독특한 특성을 갖게 된다.

 

3) 물리적 특성

나노물질 입자는 단위 면적당 입계가 많을수록 강한 물리적 성질을 띠는 다 결정질 재료의 입자에 일반적인 경향과는 달리 특정 결정립 크기 영역에서 강도가 급격히 증가하는 형상이 보인다. 하지만, 다른 복합체와 섞였을 경우 물리적 강도가 증가하는 것으로 볼 때 나노 입자가 물리적 성질이 우수하다고 볼 수 있다.

 

4) 전자적 특성

전자적인 성질을 띠는 반도체, 자성금속, 나노 입자들은 크기가 작아지면서 일반적으로 10~100㎚ 정도에서 자기적인 성질이 최대가 된다.

 

3. 산화-환원 반응

1) 산화 : 산소와의 결합, 수소와의 분리, 전자를 잃음, 산화수의 증가

2) 환원 : 산소와의 분리, 수소와의 결합, 전자를 얻음, 산화수의 감소

	산화	환원
산소	얻음	잃음
수소	잃음	얻음
전자	잃음	얻음

산화-환원 반응에서 한 원소가 산화하면 다른 원소는 환원되기 때문에 항상 동반되어 발생한다고 볼 수 있다.

4. 산화제 - 환원제

1) 산화제 : 자신은 환원되면서 다른 물질을 산화시키는 물질

2) 환원제 : 자신은 산화되면서 다른 물질을 환원시키는 물질

5. 은 나노 입자

은 나노 입자는 여분의 NaBH4에 의하여 다음 그림과 같이 둘러싸이고 은 나노 입자 표면에 있는 BH4-에 의하여 정전기적으로 반발하여 콜로이드 상태가 된다.

 

6. 콜로이드

혼합물의 일종으로, 특별히 1㎚에서 10㎛ 사이의 크기를 갖는 입자들로 구성된 것으로 콜로이드에서는 입자가 불균일하게 퍼져 용매 속에 떠다니는 양상을 띤다.

 

7. 틴들현상

빛의 파장과 같은 정도 또는 그것보다 더 큰 미립자가 분산되어 있을 때 빛을 가해주게 되면 광선이 통로에 떠있는 미립자에 의해 산란이 일어나 옆 방향에서 보면 광선의 통로가 밝게 나타나는 현상이다. 빛이 산란하는 정도는 미립자가 크면 클수록 심해진다.

 

8. 브라운 운동

액체나 기체 내에 있는 원자나 분자들이 작은 입자와 충동하여 입자들이 계속해서 불규칙하게 운동하는 현상이다.

 

9. 전기 이동

콜로이드 입자는 일반적으로 전하를 가지고 있어 전극을 넣어 직류전압을 가하면 각각의 전하에 따라 반대쪽 전극 쪽으로 이동한다.

 

10. 엉김과 염석

1) 엉김

소수 콜로이드에 소량의 전해질을 가하면 콜로이드 입자와 반대 전하를 띤 이온이 모여 콜로이드 입자가 서로 엉켜 침전되는 현상이다.

 

2) 염석

친수성 콜로이드(물 분자로 둘러싸임)에 다량의 전해질을 가해 전해질의 이온보다 극성이 작은 콜로이드 입자를 엉기게 하여 앙금을 생성시키는 현상이다. 이때 소량의 전해질을 가해선 응집이 안 된다.

 

11. 실험 요약

1) 은 나노 입자 합성

2AgNO3 + 2NaBH4 → 2Ag + H2 + B2H6 + NaNO3

위와 같은 반응식에 따라 NaBH4가 환원제로 작용하여 은이 환원되고, 생성된 은 원자들이 모여 은 나노 입자를 형성할 것이다. 은 나노 입자는 남은 NaBH4에 의해 둘러싸이고 은 나노 입자 표면에 있는 BH4-이온에 의해 정전기적 반발하여 음성 콜로이드 상태가 될 것이다.

 

2) 은 나노 입자 흡수 스펙트럼

400~430㎚ 부근에서 강한 흡수 스펙트럼을 보일 것이다. 그 이유는 용액의 색이 노란색으로 변했는데, 노란색으로 보인다는 것은 노란색을 반사하기 때문이다. 반대로 이론 2에서 설명한 것처럼 노란색의 보색인 남색~보라색은 흡수하게 되는데 그 때의 파장이 약 400~430㎚이기 때문이다.

 

3) 은 나노 입자 안정화

전해질인 염화 나트륨을 넣으면 은 나노 입자 표면의 이온과 결합하면서 입자간의 정전기적 반발력을 약화시켜 응집이 일어나고, 이로 인해 콜로이드 크기가 커지면서 갈색 계열로 색 변화가 일어날 것이다. 그러나 안정제인 PVP를 넣어준 용액에서는 PVP가 콜로이드끼리 뭉치는 것을 막아주어 색이 변하지 않을 것이다.

 

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

1) 교반기, 비커, 시험관, 피펫, 얼음 Bath, 4㎖ vial, 레이저 포인터

2) NaCl, AgNO3, NaBH4, PVP

3) 용액 만들기

① 0.002M NaBH4 용액 500㎖ 만들기

(0.002㏖ NaBH4/1000㎖ NaBH4 용액)×500㎖ NaBH4 용액 = 0.001㏖ NaBH4

0.001㏖ NaBH4×(37.83g NaBH4/㏖ NaBH4) = 0.03783g NaBH4가 500㎖의 NaBH4 용액에 포함되어 있다.

② 0.001M AgNO3 용액 30㎖ 만들기

(0.001㏖ AgNO3/1000㎖ NaBH4 용액)×30㎖ AgNO3 용액 = 0.000030㏖ AgNO3 = 0.030m㏖ AgNO3

0.030m㏖ AgNO3×(169.87g AgNO3/m㏖ AgNO3) = 5.0961g AgNO3가 30㎖의 AgNO3 용액에 포함되어 있다.

③ 0.3% PVP 용액 만들기

{0.3g PVP/(99.7g H2O+0.3g PVP)}×100 = 100g의 0.3% PVP 용액

④ 1.5M NaCl 용액 10㎖ 만들기

(1.5㏖ NaCl/1000㎖ NaCl 용액)×10㎖ NaCl 용액 = 0.015㏖ NaCl

0.015㏖ NaCl×(58.44g NaCl/㏖ NaCl) = 0.8766g NaCl이 10㎖의 NaCl 용액에 포함되어 있다

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 0.002M NaBH4 용액 30㎖가 담긴 비커를 얼음 Bath에 담그고 20분간 냉각시 키며 교반한다.

2) 냉각시킨 NaBH4 용액에 0.001M AgNO3 용액 2㎖를 1초에 1방울씩 천천히 떨어뜨린다.

3) 깨끗한 시험관에 은 나노 입자 용액 2㎖를 담는다. 그리고 여기에 1.5M NaCl 용액을 약 6방울 떨어뜨린다. 이때 색 변화를 관찰한다.

4) 한 번 더 깨끗한 시험관에 은 나노 입자 용액 2㎖를 담고 여기에 0.3% PVP 용액을 3~4방울 떨어뜨린 뒤, 1.5M NaCl 용액을 약 6방울 떨어뜨린다.

5) 레이저 포인트를 이용하여 틴들현상을 관찰한다. 

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