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평형상수와 용해도곱 상수의 결정 post report

<섬네일을 참고해 주세요>

자연과학| 2025.01.08| 5페이지| 1,500원| 조회(71)

평형상수, 용해도곱상수, 화학및실험, 비색법, 평형농도

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콘쥬게이션 분자의 구조와 에너지 계산 post report

1. 실험 제목 : 콘쥬게이션 분자의 구조와 에너지 계산 2. 실험 날짜 : 2022.11.10. (목) 3. 조 및 이름 : --- 4. 초록(abstract) 본 실험은 계산화학 시뮬레이션 프로그램인 IQmol의 사용법을 익히고, 이를 이용해 콘쥬게이션 분자 내 전자의 바닥 상태 파동함수 계산을 토대로 분자 궤도의 형성 및 에너지 준위를 관찰해 문헌의 UV-Vis spectrum과 비교해보는 실험이었다. IQmol 프로그램을 사용해 관찰하고자 하는 분자의 원자 및 골격을 만들어주고 고전역학 및 양자역학에 기반한 계산을 통해 구조 최적화를 진행한다. 이를 통해 얻은 분자 궤도 함수를 시각화해보고 HOMO와 LUMO 사이 에너지 차를 이용하여 해당 분자의 UV/Vis 스펙트럼 흡수 파장을 예측하여 실제 실험 스펙트럼의 결과와 비교해보았다. 실험 결과 구조 최적화의 결과는 사전 조사한 분자 구조와 일치함을 관찰할 수 있었고 IQmol을 이용해 계산한 HOMO와 LUMO 사이 에너지 차를 이용해 UV/Vis 스펙트럼에서 관측될 흡수 파장을 예상한 결과는 직접 계산한 예상 값 및 실제 문헌 값과는 오차가 있음을 확인할 수 있었다. 따라서 그 오차의 원인을 생각해보고 콘쥬게이션 분자의 특성 및 에너지 준위와 IQmol의 계산 원리들에 대해 생각해볼 수 있었다. 5, 서론 계산화학 시뮬레이션 프로그램인 IQmol의 사용법을 익히고 이를 이용해 구조 최적화, 에너지 준위 계산 및 UV/Vis 스펙트럼에서의 흡수 파장 예측을 수행함에 따라 IQmol을 통해 얻은 데이터를 활용하는 법을 학습할 수 있다. IQmol의 원리인 양자역학과 양자역학에 기반한 파동함수, 분자궤도함수 등에 대해 이해할 수 있다. 뿐만 아니라 IQmol를 이용해 콘쥬게이션 분자들을 다룸에 따라 콘쥬게이션 분자의 구조와 특징에 대해 학습할 수 있다. 6. 실험 방법 1) 알아보고자 하는 분자의 구조를 관찰한 후 IQmol 프로그램을 열어 Build element로 원소를 선택하고 Build mode를 다. 5) 분자궤도함수의 에너지 준위 도표에서 HOMO와 LUMO를 클릭해 하단의 에너지 차이를 기록하고 에너지 준위 차를 계산해 해당 분자의 UV-Vis spectrum에서 관측될 파장을 후속 계산으로 예측하여 실제 실험 결과 spectrum과 비교해본다. 이 과정을 ethene( ), 1,3-butadiene( ), all-trans-1,6-diphenyl-1,3,5-hexatriene( )에 대해 반복한다. 7. 실험 결과와 토의 (1) 사전 조사한 분자의 구조와 IQmol 구조 최적화를 통해 얻은 분자의 구조 흰색 배경의 분자 구조가 사전 조사했던 구조이고, 파란색 배경의 분자 구조가 IQmol을 사용해 만들어준 분자의 구조 최적화의 결과이다. 사전 조사 구조와 직접 만든 구조를 비교해본 결과 구조가 같았다. (2) 분자에 따른 HOMO-LUMO 에너지 준위 변화 HOMO LUMO HOMO-LUMO 차이 ethene -0.232 -0.021 0.211 (5.74eV) 1,3-butadiene -0.271 0.022 0.293 (7.97eV) all-trans-1,6-diphenyl-1,3,5-hexatriene -0.189 -0.068 0.121 (3.29eV) * 단위 : Eh (1Hartree=27.211eV=4.360 J) (3) HOMO-LUMO에너지 차이로 구한 흡수 스펙트럼의 파장 이므로 임을 알 수 있다. 따라서 흡수 스펙트럼에서의 흡수 파장을 예측해보면, 순서대로 아래와 같다. ( , ) (4) IQmol을 사용해 HOMO-LUMO 에너지 차이로 구한 흡수 스펙트럼 IQmol로 얻은 스펙트럼은 에너지에 따른 흡수 스펙트럼이고, UV/Vis 스펙트럼은 파장에 따른 흡수 스펙트럼이기 때문에 비교 분석을 위해 에너지를 파장으로 변환해줄 것이다. 앞서 말했듯이 이므로 임을 알 수 있다. 따라서 흡수 파장을 구해보면, 순서대로 아래와 같다. (5) 실험을 통해 얻은 UV/Vis spectrum (NIST Webbook) 계산을 통해 예상한 최대 흡IQmol의 구조 최적화를 통해 얻은 분자의 구조가 사진상의 방향만 다를 뿐이지 일치하는 구조임을 알 수 있다. 따라서 구조 최적화가 올바르게 이루어졌다고 추측할 수 있었다. 다음으로는 분자 크기에 따라 변화하는 HOMO-LUMO의 에너지 준위를 관찰해보았다. 우선 (1)의 분자 구조로 살펴보았을 때, ethene->1,3-butadiene->all-trans-1,6-diphenyl-1,3,5-hexatriene의 순서로 분자의 크기가 증가함을 알 수 있다. 아래 표를 살펴보면, highest occupied molecular orbital 즉 채워진 분자 오비탈 중 가장 높은 에너지 준위인 HOMO의 경우 ethene->1,3-butadiene으로 감에 따라 낮아지는 경향을 보였고 lowest unoccupied molecular orbital 즉 채워지지 않은 분자 오비탈 중 가장 낮은 에너지 준위인 LUMO의 경우 높아지는 경향을 보였다. all-trans-1,6-diphenyl-1,3,5-hexatriene의 경우 나머지 두 분자와 비교했을 때 모두 HOMO는 높아졌고 LUMO는 낮아졌다. 따라서 분자 크기가 증가함에 따라 일관성 있는 경향성을 보인다고 보기는 어려웠다. HOMO LUMO HOMO-LUMO 차이 ethene -0.232 -0.021 0.211 (5.74eV) 1,3-butadiene -0.271 0.022 0.293 (7.97eV) all-trans-1,6- diphenyl-1,3,5-hexatriene -0.189 -0.068 0.121 (3.29eV) 하지만 콘쥬게이션 분자만을 두고 비교하였을 때는 충분히 이해할 수 있는 결과라고 판단했다. 콘쥬게이션 화합물은 단일 결합과 이중 결합이 교대로 들어 있는 화합물로 우리가 실험에서 다룬 세 화합물 중 ethene은 포함되지 않으며 나머지 두 화합물은 (1)에서의 구조로 살펴보았을 때 콘쥬게이션 화합물이다. 이론상 분자 오비탈 계산에 의하면 콘쥬게이션 분자는 콘쥬게이션 정도가 증가할수록 H스펙트럼의 파장과 실제 실험을 통해 나타난 흡수 스펙트럼의 파장(문헌값)을 비교해보았다. * 단위 : nm 계산을 통해 예상한 최대 흡수 파장 IQmol을 통해 예상한 최대 흡수 파장 실험을 통해 얻은 최대 흡수 파장 ethene 216 180.6 160.0~162.5 부근 1,3-butadiene 156 130.6 190 부근 all-trans-1,6- diphenyl-1,3,5-hexatriene 377 342.6 470 부근 계산을 통해 예상한 최대 흡수 파장은 IQmol의 에너지 준위 도표 속 HOMO와 LUMO의 에너지 준위 값을 알아내어 Eh->eV로 변환 후 (∵ )식을 이용해 직접 계산한 결과이다. 우선 계산을 통해 예상한 흡수 파장과 IQmol을 통해 예상한 흡수 파장을 비교해보면 세 분자의 경우 모두 전자에 비해 후자가 작은 값을 나타내고 있다. 이에 대해 분석해보자면 우선 UV/Vis 분광법에 대해 이해해야 할 필요가 있었다. UV/Vis 분광법은 UV를 조사하면 콘쥬게이션 분자에서 한 오비탈에서 다른 오비탈로 전자를 들뜨게 하는 데 필요한 양에 해당되는 에너지가 흡수된다. 따라서 콘쥬게이션 분자의 경우 자외선을 조사해주면 에너지를 흡수해 전자가 HOMO에서 LUMO로 들뜨게 된다. 이처럼 전자가 결합성 분자 오비탈로부터 반결합성 오비탈로 들뜨는데 필요한 파장이 HOMO와 LUMO 사이의 에너지 차이와 같다는 것이다. 따라서 흡수 파장이 길다는 것은 흡수 에너지가 작다는 것이고 이는 HOMO에서 LUMO로 들뜨는데 필요한 에너지가 작다는 것이다. 반대로 흡수 파장이 짧아지는 것은 흡수 에너지가 큰 것이고 들뜸에 필요한 에너지가 크다는 것이다. 계산을 통해 예상한 들뜸에 필요한 에너지가 IQmol을 통해 예상한 들뜸에 필요한 에너지보다 작음을 알 수 있는데, 이에 대해서는 직접 계산에서는 오로지 HOMO-LUMO 간 차이만을 고려해 흡수 파장을 구해주었지만 IQmol은 실제 분자에서 이론의 가정과는 다르게 발생할 수 있는 인력 및 반발력, 반을 통한 예상값에 있어서 오차의 원인에 대해 생각해보자면, 흡수 파장 예측에 사용한 스펙트럼이 impulse 형태의 sharp peak이었다는 점이 있다. 일반적으로 실험을 통해 얻는 UV/Vis 스펙트럼은 peak 모양에 불확정성이 반영되어 단일 에너지에 대한 sharp peak보다는 일정 에너지 영역에서 broad peak 형태로 나타나게 된다. (4)와 (5)의 스펙트럼을 비교해보면 실제로 그러했다. 이론적으로 예상한 peak에 이러한 불확정성 원리를 반영하기 위해 Gaussian 또는 Lorentzian 함수 형태를 사용해 형태를 예측하기도 하는데, 본 실험에서는 정확한 에너지 및 파장을 표현하기 위해 impulse 형태를 사용했기에 실제에서 발생하는 다른 사항들을 고려하지 못해 오차가 발생했다고 판단했다. 직접 계산을 통해 예측한 흡수 파장은 단위 변환과 유효 숫자를 고려한 계산으로 인한 오차, 또 HOMO-LUMO 에너지 차이를 제외한 다른 요소들은 전혀 고려하지 않았으므로 오차가 발생하는 것이 당연하다고 판단했다. 마지막으로 IQmol 예측에 있어 오차를 줄이기 위한 방법에 대해 생각해보았지만, 앞서 말했듯이 impulse 형태가 아닌 Gaussian 또는 Lorentzian을 사용할 경우 가능한 값들을 예상범위에 포함할 수 있다는 장점과 동시에 그렇게 될 경우 정확한 일정 값을 예측할 수 없다는 단점을 피할 수 없게 된다. 따라서 오차에 대한 고찰을 통해 불확정성 원리에 대해 다시 한 번 학습해볼 수 있었다. 추가적으로 HOMO와 LUMO 오비탈을 직접 아래와 같이 시각화하여 노드의 개수를 비교하고, 오비탈을 관찰함에 따라 분자궤도함수에 대한 이해도를 높일 수 있었다. 8. 결론 본 실험을 통해 IQmol을 사용하는 방법과 IQmol의 계산 원리를 학습할 수 있었다. IQmol은 고전 역학 및 양자 역학에 기반한 계산을 통해 결과적으로 분자 오비탈 이론에 기반한 근사로 구조를 예측하는 계산화학 소프트웨어임을 알 수 있었다. 또한 UV/Vis 분광

자연과학| 2025.01.08| 14페이지| 2,500원| 조회(73)

물리화학실험, 분자궤도함수, 계산화학, IQmol, 콘쥬게이션분자

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질산포타슘의 용해도 post report

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자연과학| 2025.01.08| 5페이지| 1,500원| 조회(77)

재결정, 용해도, 질산포타슘, 화학및실험, 질산구리

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나일론 합성 실험 post report

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자연과학| 2025.01.08| 4페이지| 1,500원| 조회(92)

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시계 반응 실험 post report

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자연과학| 2025.01.08| 5페이지| 1,500원| 조회(68)

시계반응, 화학및실험, 속도결정단계, 과산화이황산이온, 아이오딘산화반응

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