[일반화학실험]Luminol의 화학 발광

실험 목적

Luminol이 화학발광 현상을 관찰하고 그 메커니즘을 이해한다.

 

실험 이론 및 원리

1. 화학 발광 (Chemiluminescence)

화학적 반응에 의하여 형성되는 특정 물질의 전자가 에너지적으로 들떴다가 다시 바닥상태로 돌아올 때 자체적으로 빛을 내는 현상

A + B → C' + D (C' → C + hv)

 

사용 기호	의미
C'	C의 들뜬 상태를 나타냄.
hv	빛 양자는 국소화되어 농축된 방사에너지 hv 를 말하며, h 는 플랑크상수[흑체법칙]를 말하고 v는 빛의 진동수를 말한다.

 

2. 바닥상태(ground state)

양자역학적인 계에서 에너지가 최소인 정상상태, 그 계의 가장 안정된 상태이며 기저상태 라고도 한다.

 

3. 들뜬상태(excited state)

양자역학적 상태 중 에너지가 가장 안정된 상태인 바닥상태를 제외하고 이보다 에너지가 높은 상태를 모두 가리킨다. 주위에서 일어난 어떤 현상에 의해 원자가 에너지를 흡수 했을 때 일어나며, 짧은 시간동안 유지되다가 곧 바닥상태로 다시 돌아가면서 그 에너지에 해당하는 크기의 전자기파를 방출한다.

 

4. 단일항(Singlet state)과 삼중항(Triplet state) 상태

단일항 상태는 스핀 각 운동량이 0인 상태 시스템은 0의 1가지 스핀상태(s=0)을 가지고, 삼중항 상태는 스핀 각 운동량이 1인 상태이며. 시스템의 각각은–1, 0, +1의 3가지 스핀 상태(s=-1,0,+1)를 가진다.

 

5. Luminol의 화학발광 메커니즘

1) 에너지 도표

2) 구조식

 

6. 형광(fluorescence)

유기화합물에서는 일정한 들뜬상태의 최저차의 진동 수준으로부터 바닥상태로 될 때 일어 나는 발광을 뜻하고, 무기물의 결정 또는 기체 원자의 경우는 들뜬상태로 직접 발광하는 것을 뜻한다. 물질이 빛 등에 의해 전자적으로 들뜨게 되어 일정한 시간 들뜬상태로 존재 후 에너지를 방출하여 바닥상태로 되돌아오는데 이 때 발광을 동반하는 경우의 발광현상이 luminescence이다. 형광과 동의어로 쓰이는 경우가 많으며 인광과는 구별된다. 화학발광과 형광 모두 빛의 형태로 에너지를 발산하는 것은 같지만 화학발광은 화학반응에 의해, 형광은 외부 빛의 자극에 의해 들뜬상태로 됐다가 바닥상태로 돌아오며 빛을 방출한다.

 

7. 인광(phosphorescence)

빛이 비치는 동안만 빛을 내는 것을 형광, 빛이 사라져도 잠시 빛을 내는 것을 인광이라 한다. 형광 물질은 전자가 들뜬상태가 된 후 곧바로 떨어지기 때문에 주위에 빛이 없어지면 더 이상 빛이 나지 않지만 인광 물질은 들뜬상태가 된 후 준안정상태로 옮겨간 후에 바닥 상태로 떨어지기 때문에 주변의 빛이 사라져도 얼마동안 더 빛을 낼 수 있다.

 

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

기구명	사진	용도
1L 삼각 플라스크		부피 측정보다는 가열 및 교반용
250㎖ 비이커		1㎖부터 수 리터까지 다양한 크기로 이용 가능
1L 메스실린더		폭이 좁은 원통형 모양, 액체의 부피를 측정하는데 이용.

 

시약명	루미놀 luminol	수산화나트륨 Sodium hydroxide	과산화수소 Hydrogen peroxide	헥사시아노철(lll) 산 칼륨
화학식	C8H7N3O2	NaOH	H2O2	K3[Fe(CN)6]
분자량	177.16g/㏖	33.9971g/㏖	34.0147g/㏖	329.24g/㏖
끓는점	-	1,388℃	150.2℃	-
녹는점	319℃	323℃	-0.43℃	300℃
밀도	-	2.13g/	1.463g/	1.89g/
위험성	급성 독성물질로 삼키거나 눈, 피부에 접촉시 호흡기에 자극을 유발	금속을 부식시킬 수 있음. 삼키면 유독함	농도가 높을수록 불안정하고 온도가 높아지면 분해 속도가 증가하여 끓는점 이하에서도 폭발	약한 독성을 가짐 강한 산성 상태에서는 강한 독성물질인 시안화수소를 생성할 수 있으므로 주의

실험 방법

1. 실험 과정

1) 3M의 HCl을 만든다.

2) 500㎖ 삼각플라스크에 3M NaOH 수용액 5㎖에 0.05g의 luminol을 용해시킨 후 250㎖의 증류수를 가한다.

3) 10ml의 H2O2를 가한다.

4) 가능한 빛이 들어오지 않는 공간으로 이동한다.

5) 0.25g의 potassium hexacyanoferrate(Ⅲ)고체를 위의 용액에 가한 후 흔들어준다.

6) 무슨 현상이 나타나는지 관찰하고, 관찰한 사항을 기록한다.

7) 발광하는 이 용액을 250㎖ 삼각 플라스크에 50㎖씩 나눠 담고, 남은 150㎖는 그대로 둔다.

8) 그 후 약 5㎖의 3M HCl을 50㎖ 용액에 넣고 관찰한다.

9) NaOH 0.05g을 나머지 50㎖ 용액에 넣고 관찰한다.

10) 남아있는 150㎖의 용액에 0.05g K3[Fe(CN)6] 넣고 관찰한다.

실험 결과

1. 결과 분석

1) 3M NaOH 수용액 250㎖ 조제

NaOH 12.24g과 증류수 250㎖를 섞고 그 중 5㎖를 사용한다.

 

2) 3M HCl 수용액 250㎖ 조제

HCl 26.48㎖와 증류수 250㎖를 섞고 그 중 5㎖를 사용한다.

 

3) 반응 관찰

① 3M NaOH 수용액 5㎖, 0.05g luminol 250㎖ 증류수 10㎖ H2O2 혼합 용액 제조

② 0.250g K3[Fe(CN)6] 고체를 위의 용액에 가한 후 흔들어준다. (*1 용액)

③ 삼각 플라스크에 *1의 용액 50㎖를 담은 후 5㎖의 3M HCl 용액을 가함 (*2 용액)

④ 삼각 플라스크에 *1의 용액 50㎖를 담은 후 약0.05g의 NaOH를 가함(*3 용액)

⑤ 150㎖ 남은 *1의 삼각플라스크에 0.05g K3[Fe(CN)6]을 가함.(*4 용액)

왼쪽부터 *3, *2, *4 용액이다.

토의 사항

1. 실험 고찰

본 실험은 Luminol의 화학발광 현상을 관찰하고 그 메커니즘을 이해하는 것이다. 삼각플라스크에 Luminol, 과산화수소, 수산화나트륨, 증류수를 넣은 후 암실로 이동하여 반응의 촉매역할을 하는 K3Fe(CN)6을 넣어주어 화학발광을 관찰하였다. 그 전에 3M NaOH용액과 3M HCl용액을 제조하였다. NaOH용액을 제조시 조해성에 주의하며 제조하였다. HCl용액 제조 과정에서 HCl은 강산이기 때문에 증류수를 먼저 소량 넣은 후, HCl을 넣은 후 100㎖ 표선까지 증류수를 채웠다. 또한, HCl을 피펫으로 취할 때 연기가 나는 것을 볼 수 있었다.

 

그 후 적정량의 Luminol, 과산화수소, 수산화나트륨, 증류수를 넣고 난 후 암실로 이동하였다. 암실로 이동한 이유는 일반적으로 화학발광의 세기는 매우 약하기 때문에 밝은 곳에서는 사람의 눈으로 관찰하기 어렵기 때문이다. 발광이 아주 잠깐 발생함을 숙지한 후 플라스크를 주의 깊게 보았다. 결과로 마지막 실험이 가장 밝게 빛을 내었다. 또한 HCl을 넣어주었을 때는 발광이 일어나지 않았다.

 

마지막 실험에서 빛이 가장 밝았던 이유를 분석해보니, pH가 높을수록 발광의 세기가 밝아지는 즉, 염기성의 성질이 강할수록 발광의 세기가 세다. 따라서 마지막 플라스크에 NaOH가 가장 많았기 때문에 가장 밝은 빛을 낸 것 같다. 또한 원래라면 마지막 플라스크에서 빛이 아주 잠시 동안 밝았다 없어져야 하는데 빛이 오래 남아있었다. 짧은 시간에 빛을 내는 이유는 Luminol만으로 화학발광 현상을 나타내는 데는 한계가 있다. 따라서, 촉매의 양에 의해서 화학발광의 세기가 좌우되는데 우리는 이 실험에서 촉매로 K3Fe(CN)6 사용하였는데, 아마 마지막 실험에서 촉매의 양을 잘못 측정했기 때문이라고 추측하였다.

 

HCl을 넣었을 때 발광현상이 일어나지 않은 이유는 Luminol의 특성상 염기성 조건하에서 강한 산화제인 산소 또는 과산화수소에 의해 화학발광을 할 수 있는데, HCl을 넣어주게 되면 기존 염기성을 유지하고 있던 용액이 산성으로 변화하게 되어 염기성의 조건이 맞지 않았기 때문에 발광현상이 일어나지 않았다.

 

본 실험은 사람의 눈으로 관찰하여 메커니즘에 대해 고찰하는 것이지 발광하는 빛의 스펙트럼 측정이나 화합물을 정량적으로 분석하는 실험은 아니라는 점에서 특이한 실험이었다. 이러한 화학발광 현상을 응용해 대기 중의 질소산화물을 분석할 수 있다. 대기 중의 오염 질소 화합물인 NO는 오존과 반응하여 NO2가 형성되는데, NO2가 바닥상태로 이완되면서 빛을 방출하게 된다. 이를 통해 본 실험에서 우리가 관찰한 빛을 분석해보면 Luminol을 분석할 수 있을 것이다.

 

본 실험을 통해서 염산의 위험성을 깨달았고, 염기성의 조건을 만족하는가, 그리고 촉매의 양에 따라서 빛의 세기가 달라진다는 것을 알았다. 또한, 에너지가 빛으로 방출되는 현상을 눈으로 직접 확인할 수 있었다. 오차가 발생하였다면, 암실에서 용액을 50㎖씩 옮기는 과정에서 오차가 발생하였을 것 같다.