[일반화학실험]빈혈치료제에 함유된 철의 정량 1부

실험 목적

전이금속 Fe(II)이 리간드 1,10-phenanthroline과 붉은 오렌지색의 [Fe(Phen)3]2+ 착화물을 쉽게 형성한다는 사실을 이용하여 빈혈 치료제에 함유된 철을 정량한다.

 

실험 이론 및 원리

1. 전이 금속(Transition metal)

전이 금속은 주기율표 3-12족 원소들, 혹은 4-전자껍질에 전자가 채워진 금속 원소들 로 대부분의 중성 원자는 (n-1) d10 원자가 전자 배열을 갖고 양이온은 (n-1) s1d10 배열을 갖는다. 전이 금속은 4 오비탈에 채워져 있는 전자들에 의해 주족원소들과는 다른 다음과 같은 특징을 가지고 있다.

1) 전이 금속은 오비탈뿐만 아니라 오비탈에도 전자를 공유하기 때문에 LA족과 A족 금속에 비해 밀도가 높고 녹는점과 끓는점이 높으며 단단하다.

2) 전이 금속은 일반적으로 두 가지 이상의 산화 상태(예를 들면, Fe2+, Fe1+)를 가진 다. 높은 산화 상태의 금속 이온(Cr2O, MnO-)은 좋은 산화제이고, 낮은 산 화상태의 금속 이온(V2+, Cr2+)은 좋은 환원제로 사용된다.

3) 주위의 이온이나 작은 분자들과 결합하여 다양한 자기적 성질과 색깔 그리고 기하학적 배열을 가진다.

 

2. 착물(complex compound)

하나 혹은 그 이상의 전자쌍을 받아들이는 금속 원자와 전자쌍을 제공하는 리간드 사이에 배위 공유 결합으로 이루어진다.

 

3. 리간드(Ligand)

리간드란 중심 금속 이온과 결합하는데 제공할 고립전자쌍을 가지고 있는 중성분자나 이 온이다. 금속과 결합하는 리간드 주개(donor) 원자 수에 따라 한자리(Cl, NH, 등), 두 자리(에틸렌다이아민, HN-CH2CH2-NH2), 또는 여러자리(1,10-phenanthroline, EDTA 등) 리간드 등이 있다.

 

4. 배위공유결합

금속-리간드의 결합 형성에 참여한 전자는 리간드에 의해서만 제공되며 Lewis 염기(리 간드)와 Lewis 산(금속 이온) 사이의 상호 작용이라 할 수 있고 이 결합을 배위 공유 결 합(coordinate covalent bond)이라 부른다.

 

5. 배위수(Coordination number)

리간드에서 중심 금속이온에 직접 결합되어 있는 원자를 주개(donor) 원자라고 하는데 이 주개 원자들의 수, 즉 중심 금속이온과 리간드 사이에 형성되는 결합수를 배위수라 한다.

 

6. 화학 반응 메카니즘

이 실험에서 전이금속 이온인 철(iron, Fe2+)이 리간드 1,10-phenanthroline(Phen)과 착이온을 만든다.

Fe2+ + 3C12H8N2(1,10-phenanthroline, Phen) ⇄ [Fe(Phen)3]2+

The Iron-1,10-phenanthroline, [Fe(Phen)]+, 착물

 

철 이온(iron, Fe2+)이 1,10-phenanthroline과 6 배위 착이온을 형성하는 이유는 안정한 상태로 존재하는 유기화합물의 경우에 2s 및 2p 오비탈에 전자가 모두 채워진 비활성 기체의 전자배치를 모방하는 8 전자규칙이 존재하듯이 전이금속 화합물들에도 역시 같은 주기의 비활성기체의 전자배치를 모방하여 sp. d 오비탈에 전자를 모두 채워 가장 안정한 상태로 존재하려는 18 전자규칙이 존재하기 때문이다. 착이온이 형성되 는 과정은 다음과 같다.

 

Fe(OH)2 + H+ ⇄ Fe2+ + H2O

2Fe3+ + 2NH2OH·HCl + 2OH- ⇄ 2Fe2+ + N2 + 4H2O + 2H+ + 2Cl-

Fe2+ + 3Phen ⇄ Fe(Phen)32+

 

1) 2가의 Fe 전구체(Fe(OH)2)를 산성(H) 환경에서 이온(Fe2+)화 시킨다.

2) Fe2+는 공기 중의 산소에 의해 쉽게 산화(Fe2+)되어 리간드와 또 다른 [Fe(Phen)]+ 착이온을 형성할 수 있으므로 환원제 hydroxylamine hydrochloride(NH2OH·HCl)를 사용하여 공기 노출로 인해 산화된 철을 환원시킨다. 환원제 hydroxylamine hydrochloride가 적당히 작용하는 pH는 6~9 정도이므로 본 실험에서는 pH 8의 완충용액을 사용하도록 한다.

3) Fe2+가 리간드와 주홍색의 [Fe(Phen)3]2+ 착이온을 형성한다.

 

7. UV-vis spectrum

UV-vis spectrum은 이러한 불연속적인 에너지를 가지고 있는 원자나 분자에 특정한 파장의 에너지를 조사시키면 분자나 원자의 고유한 특정 파장을 흡수하여 전자가 들뜨 게 된다. 이때 이 흡수한 양을 측정하는 것이다.

 

Aλ = ελ․b․c(Beer-Lambert Law)

Aλ:특정파장(λ)에서의 시료의 흡광도, ελ : 흡광계수

b: cuvet cell의 두께(㎝), c: 시료의 몰농도(M)

 

특정 파장에서의 흡광도(A)를 측정하면 Beer-Lambert Law을 이용하여 시료의 농도를 계산해 낼 수 있다. 본 실험에서 [Fe(Phen)3]2+의 특정파장 510㎚에서 몰 흡광계수(ε)는 11,100 M-1·㎝-1이다.

실험 기구 및 시약

1. 기구

1) 50 ㎖ 부피플라스크 2개, 250 ㎖ 비커, 10 ㎖ 피펫, 휠러, 막자, 막자사발, 약수저

2) 10.00㎜ cuvet cell, UV-vis 분광 광도계, hot plate, stirring bar

 

2. 시약

1) 빈혈 치료제, pH 8 완충용액, 0.01M 1,10-phenanthroline 용액

2) 0.005M htdroxyl-amine hydrochloride(NH2OH·HCl) 수용액, 4M HCl 수용액

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 빈혈치료제(Iron pill)의 표면과 내부 성분이 다르므로 표면을 조심스럽게 벗겨 제 거한다.

2) 방법 1)에서 표면을 제거한 iron pill을 막자사발과 막자를 이용하여 최대한 곱게 간다.

3) 가루로 만든 iron pill 20 ㎎ 정도를 화학저울을 이용하여 정확하게 측정한다.

4) 50 ㎖ 부피 플라스크에 방법 3)에서 무게를 잰 iron pill을 조심스럽게 넣고 4 M HCl 15 ㎖를 가한 후 hot plate(눈금 90℃ 근처)에서 용액의 색깔이 노란색이 되고 철이 잘 녹을 때까지 stirring 해준다. 이때 hot plate에 화상을 입지 않도록 조심한다.

5) 방법 4) 부피 플라스크를 증류수로 표선까지 채운 뒤 피펫을 이용하여 용액 5 ㎖를 깨끗한 새로운 50 ㎖ 부피 플라스크로 옮긴다.

6) 방법 5)의 50 ㎖ 부피 플라스크에 0.005 M hydroxylamine hydrochloride 용 액 12.5 ㎖와 0.01 M 1,10-phenanthroline 용액 10 ㎖를 가한다.

7) 방법 6)의 용액에 pH 8 완충용액을 표선까지 가하면서 충분히 흔들어 준다.

8) 10.00㎜ cuvet을 이용하여 pH 8 완충용액의 흡광도(A)를 영점(blank)으로 하 고 시료의 흡광도를 측정한다.

9) Beer-Lambert Law를 이용하여 농도를 계산하고 이를 통해 빈혈치료제 20 ㎎에 함유된 철의 퍼센트 함량을 계산한다.

 

주의 사항

1. 일반적으로 iron pill은 표면과 내부의 성분이 다르다. 따라서 보다 정확한 실험을 위해서는 iron pill의 표면을 잘 벗겨내고 내부를 곱게 갈아 사용하는 것이 보다 정확한 실험 결과를 얻을 수 있다.

2. 철(II) 착화합물 형성시에 1,10-phenanthroline 양은 철의 양에 비해서 3배 이상을 넣어주어야 한다. 또한 hydroxylamine hydrochloride 용액의 농도는 철의 산화를 막아주는 역할을 하므로 충분한 농도의 환원제를 넣어 주어야 한다.

3. 시료의 흡광도를 이용하는 분광분석법에서는 원하는 화합물만이 선택적으로 흡수하는 빛의 파장을 이용하는 것이 중요하다.

4. UV-vis 분광 광도계는 상당히 민감한 기기이며, cuvet(cell)은 쉽게 깨지기 때문 에 사용할 때 주의하도록 한다.

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