[일반화학실험]빈혈치료제에 함유된 철의 정량 2부

실험 결과

1. 결과 분석

Fig 1. [Fe(Phen)3]2+complex 생성반응

 

Fig. 1의 반응으로 얻어지는 착물 [Fe(Phen)3]2+의 흡광도스펙트럼을 나타낸 것이 Fig. 2이다. Fig. 2를 통해 [Fe(Phen)3]2+의 최대 흡수파장이 510㎚임을 알 수 있다.

1) 사용한 빈혈치료제의 질량 : 20.0㎖ = 0.0220g

2) Fig. 2 : Absorption Spectra of [Fe(Phen)3]2+

① 실험1

Abs = 0.32 in 510㎚

 

② 실험2

Abs = 0.33 in 510㎚

③ 실험3

Abs = 0.38 in 510㎚

2. 계산 과정

1) Beer-Lambert Law을 이용한 몰농도 계산

① 흡광도

실험	1	2	3
Absorbance	0.32	0.33	0.38

 

② 계산

실험 1	A = 0.32, ι = 1㎝ ε = 11,100 L/㎝·㏖	[Fe(Phen)3]2+의 평형몰농도 C = (0.32)/(11,100L/㏖) = 2.88×10-5 M
실험 2	A = 0.33, ι = 1㎝ ε = 11,100 L/㎝·㏖	[Fe(Phen)3]2+의 평형몰농도 C = (0.33)/(11,100L/㏖) = 2.97×10-5 M
실험 3	A = 0.38, ι = 1㎝ ε = 11,100 L/㎝·㏖	[Fe(Phen)3]2+의 평형몰농도 C = (0.38)/(11,100L/㏖) = 3.42×10-5 M
Average	(2.88×10-5 M + 2.97×10-5 M + 3.42×10-5 M)/3 = 3.09×10-5 M

 

2) Fe의 몰수 (= Fe2+의 몰수 = [Fe(Phen)3]2+의 몰수)

총 용액의 부피 : 50㎖

3.09×10-5 M × 0.05L = 1.545×10-6㏖ → 5㎖에 포함된 몰수

처음 15㎖에 포함된 몰수 = 1.545×10-6㏖ × 3 = 4.635×10-6㏖

 

3) Fe의 무게 (Fe의 분자량 : 55.8 g/㏖)

4.635×10-6㏖ × 55.8 g/㏖ = 2.586×10-4g

 

4) 빈혈 치료제의 철 함유량

(2.586×10-1㎎/22.0㎎) ×100% = 1.175%

 

토의 사항

1. 실험 고찰

1) 철(Fe)과 철 이온

Fe의 전자배치 : 1s(2)2s(2)2p(6)3s(2)3p(6)3d(6)4s(2) Fe2+의 전자배치 : 1s(2)2s(2)2p(6)3s(2)3p(6)3d(6) Fe3+의 전자배치 : 1s(2)2s(2)2p(6)3s(2)3p(6)3d(5)

철분은 보통 철 이온으로 존재하는데, 그 중에서도 Fe3+의 형태로 가장 많이 존재하게 된다. 그 이유는 전자배치로 인한 안정성 때문이다. Fe2+와 Fe3+의 차이는 d오비탈에 존재하는 전자의 개수인데, d오비탈은 5개의 오비탈은 가지고 최대 10개의 전자가 존재할 수 있다. Fe3+는 d오비탈에 5개의 전자를 가지고 있어 대칭적인 전자배치를 보이지만, Fe2+는 그보다 한 개 더 많은 6개의 전자를 가지고 있어 대칭성을 보이지 않는다. 따라서 d오비탈의 반이 채워져 있는 Fe3+이 더 안정하다.

 

2) 철 이온의 환원

수용액상태에서 Fe3+는 가수분해반응을 통해 Fe(OH)3을 형성하기 때문에 정량분석이 어렵다. 그렇기 때문에 본 실험에서는 빈혈치료제를 물이 아닌 산성용액(HCl)으로 녹였다.

또한, 1,10-Phenanthroline은 iron(II) 이온만 결합하고, iron(II)는 쉽게 iron(II)로 산화된다. 따라서 iron(III) 산화된 상태에서 실험을 할 경우 실험값에 큰 오차가 발생한다. 따라서 철을 환원시켜주는 환원제가 필요하다.

다시 말해, 환원제는 철의 산화를 막아주는 역할을 한다. 그러므로 충분한 농도의 환원제를 넣어주어야 한다. 환원제인 hydroxylamine hydrochloride(NH2OH·HCl)를 첨가하면, 공기노출로 인해 산화된 철을 Fe3+를 Fe2+로 환원시키는 다음과 같은 반응을 일으킨다.

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

 

3) 착물의 안정성

착물이란 하나 또는 그 이상의 원자나 이온을 중심으로 입체적으로 배위 공유 결합하여 이루어져 있는 원자 집단을 뜻한다. 배위 공유 결합을 함으로써 전자를 받아 중심 이온이 보다 안정해지게 된다. 우리 실험에서는 중심이온 Fe2+과 1,10-phenanthrolinie이 배위 공유결합을 하면서 다음과 같이 착물을 형성한다.

 

Fe2+ + 3C12H8N2(1,10-phenanthrolinie, Phen) ↔ [Fe(Phen)3]2+

[Fe(Phen)3]2+

 

착물의 분자구조에서 볼 수 있듯이 6개 N의 비공유 전자쌍이 Fe2+와 배위 공유결합을 하여 리간드를 형성하고, 총 배위수는 6이다. Fe2+는 6개의 N에서 총 6개의 전자를 받게 되는데, 이 전자들은 Fe2+의 전자배치 1s(2)2s(2)2p(6)3s(2)3p(6)3d(6)에서 4s오비탈에 2개의 전자, 3d오비탈에 4개의 전자를 채우게 된다. 따라서 s,p,d오비탈이 모두 채워지면서 전이금속의 18전자규칙을 만족시켜 안정한 상태가 된다.

 

4) pH의 영향

본 실험은 pH8인 완충용액에서 진행하였는데, 위의 두 반응과 관련하여 설명할 수 있다. 먼저, Fe3+을 Fe2+으로 환원시키는 반응에서 OH-이온의 농도가 증가할수록 정반응이 더 많이 일어나기 때문에 pH가 높을수록 좋다. 그리고 착물을 형성하는 반응에서는 착물의 안정성이 매우 크기 때문에 pH의 영향이 크지 않아 pH2-pH11 범위에서 착물 형성이 가능하다. 따라서 pH8 완충용액을 사용한 것은 Fe2+으로 환원시키기 위함이라고 할 수 있다.

 

5) 빈혈치료제에 포함된 철의 함량을 정량화하기 위해 착화합물[Fe(Phen)3]2+를 만드는 이유는 무엇인지 설명하라.

일반적으로d 오비탈의 일부만이 채워진 전이 금속의 경우 주위의 이온이나 작은 문자들과 결합하여 다양한 자기적 성질과 색깔 그리고 기하학적 배열을 가지는 경우가 많다. 특히 이 중에서 배위 공유 결합을 가지는 착물의 경우 특정한 파장의 색을 가지는 경우가 많아 여러 실험에 걸쳐 유용하게 사용되고 있다. uv-vis spectrum을 이용하여 특정한 파장의 흡광도를 측정하는데 여기서 매우 유용한 점은, 흡광도가 착화물의 농도의 단순 비례한다는 사실이다. 즉, 착화물과 Beer`s Law를 이용하면 비교적 쉽게 용액의 농도를 구할 수 있다.

 

6) 완충 용액의 사용하는 이유는 무엇인가? 그리고 pH가 8인 완충 용액을 넣는 이유는 무엇인가?

HCl용액을 사용하였으므로 급격한 pH를 일으켜 실험 결과를 관찰하기 힘들 수 있기 때문에 완충용액을 사용하여 급격한 pH변화를 막아 실험을 좀 더 수월하게 하기 위한 것이다. 환원제의 정정 pH가 6-9 정도이므로 실험에서 pH8의 완충용액을 넣어주는 것이다.

 

7) 510㎚에서의 흡광도를 이용하는 이유

실험 결과 빈혈치료제 용액치료제 용액의 510㎚에서의 흡광도는 0.350이었다. 이때 초록색 계열인 510㎚에 해당하는 값을 읽는 이유는 용액이 초록색 계열의 보색인 주황색에 가까운 색을 띄기 때문이다. 초록색을 흡수하고 주황색은 반사하기 때문에 510㎚의 흡광도를 읽어야 용액속의 철의 양을 구할 수 있다.

 

참고 문헌

1. 일반화학실험, 서울시립대학교 교양화학, 사이플러스, 2020, pp.168~173.

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