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[화학실험기법1 A+]Exp5labreport_Time-Resolved Photoluminescence Spectroscopy

Exp 5. Time-Resolved Photoluminescence Spectroscopy Division/, Student ID/, Name/ Abstract (초록) 본 실험에서는 을 Photosensitizer, 을 quencher(Q)로 사용한quenching 실험을 진행했다. Q 농도가 증가함에 따라 총 용액 부피가 증가하여 시료가 희석되므로, Q에 의한 형광 감소와 희석에 의한 형광 감소가 동시에 발생한다. 이러한 dilution effect 보정을 위해 동일한 부피의 HCl을 첨가한 실험을 병행하였다. Quenching 실험은 에 80mM 를 0, 10 첨가한 시료 1-1, 1-2, 1-3, 1-4로, dilution 실험은 에 0.5M HCl을 0.5ml, 1ml, 1.5ml 첨가한 시료 2-1, 2-2, 2-3로 구성했다. Stern-Volmer equation을 이용해 lifetime-based 속도 상수 =을 구했고, lifetime과 intensity에 대한 Stern-Volmer plot의 기울기를 비교했을 때 =, =으로

자연과학| 2025.08.15| 4페이지| 2,000원| 조회(68)

화학실험, 실험보고서, 화학실험기법

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[화학실험기법1 A+]Exp4labreport_Electrochemistry Cyclic Voltammetry of Ferrocyanide, Anodic Stripping Voltametry

Exp 4-1. Electrochemistry: Cyclic Voltammetry of Ferrocyanide, Exp 4-2. Anodic Stripping Voltammetry: Detection of Mercury Ions Aqueous Solution Division/, Student ID/, Name/ Abstract (초록) 본 실험은 Ferrocyanide redox 반응의 농도 및 scan rate 변화에 따른 Cyclic Voltammetry를 통해 정성 분석을 수행했다. 농도가 1,2,4,8mM로 증가 시 peak current()비례해 증가했고, scan rate가 0.05, 0.1, 0.2, 0.3V/s로 증가 시 에 비례해 증가하여 Randles-Sevcik 방정식을 따르는 free diffusion 반응임을 확인했다. 반응 전위차()는 69~126mV로, 이론값(57mV)보다 커 완전히 reversible 반응은 아니었다. 또한 Anodic Stripping Voltammetry(ASV)으로 Hg redox 반응의 정량 분석을 수행했다. stripping peak 적분으로 구한 전하량 Q=2.30×10⁻⁵ C로부터 Hg²⁺의 몰수는 1.19×10⁻¹⁰ mol이었다. Results and Discussion 4-1. Cyclic Voltammetry(CV) of Ferrocyanide 1) CV measurement with Ferrocyanide concentration change redox 반응에서 scan rate를 0.1V/s로 고정했을 때 농도 변화에 따른 전류 변화는 Figure 1과 같다. x축 전압 증가에 따라 오른쪽 위는 oxidation peak, 왼쪽 아래는 reduction peak이다. 동일한 조건에서 같은 redox 반응이라면 CV 곡선 형태는 동일하므로, 이론적으로 와 위치, 대칭성, ΔE가 같고, 이를 그래프 overlap으로 확인할 수 있다. free diffusion 외 다른 물질 이동 인자가 없으면, Randles-Sevcik 방정식 (at 25℃)에 따라, redox bulk 농도이다. Figure 2에서 Ferrocyanide 농도 증가에 따라 peak current()가 비례 증가하므로, 해당 식을 따른다. 농도(mM) (A) 1 1.494 2 2.798 4 5.990 8 1.042 Table SEQ Table * ARABIC1. 농도 변화에 따른 ip 농도(mM) (V) (V) (mV) 1 0.249 0.180 69.0 2 0.254 0.165 89.0 4 0.251 0.165 86.0 8 0.263 0.135 128.0 Table SEQ Table * ARABIC2. 농도 변화에 따른 전위차 에서 Ferrocyanide는 가역적 1전자 반응이므로 이론적 ΔE는 57.0mV이다. 그러나 측정값은 이론적 ΔE보다 컸으며, 이는 반응이 완전한 reversible이 아니었기 때문이다. 특히 8mM의 ΔE는 128.0mV로 다른 농도보다 컸는데, 1,2,4,mM은 A/V sensitivity로, 8mM은 고농도이기에 그래프가 overflow하여 A/V sensitivity로 측정하였기 때문이다. 낮은 감도은 큰 전류 범위를 측정하지만 그래프를 왜곡시켜 ΔE이 증가했다. 2) CV measurement according to scan rate change redox 반응에서 Ferrocyanide 농도를 1mM로 고정하고, scan rate를 0.05, 0.1, 0.2, 0.3V/s로 변화시키며 측정한 전류 변화는 Figure 3과 같다. Randles-Sevcik 방정식에 따라 이므로, scan rate 증가에 따라 가 증가한다. scan rate(V/s) (A) 0.05 1.133 0.1 1.513 0.2 2.133 0.3 2.609 Table SEQ Table * ARABIC3. scan rate 변화에 따른 ip v가 증가하면 전극 전위가 빠르게 변화하고, 확산층 형성 시간 감소, 큰 농도 구배형성으로 전류가 증가한다. Figure 4가 선형이므로, 이고 Randles-Sevcik 식을 따른다. scan rate(V/s) (V) (V) (mV) 1 0.244 0.181 63.0 2 0.245 0.182 63.0 4 0.248 0.181 67.0 8 0.246 0.176 70.0 Table SEQ Table * ARABIC4. scan rate 변화에 따른 전위차 Ferrocyanide의 이론적 (57.0mV)에 비해 측정값이 크므로, 완전한 reversible 반응이 아니다. 또한 scan rate가 증가하면 전위 변화가 커져 정밀도가 감소하고 가 증가한다. 4-2. Anodic Stripping Voltammetry(ASV): Detection of Mercury Ions Aqueous Solution 0.1mM NaCl background 용액에서 전류 범위를 로 올렸을 때 그래프가 일자였으므로, 배경 전류와 전극 표면이 결과에 미치는 영향은 거의 없다. ASV Deposition step 그래프는 Figure 5와 같으며, 가 로 환원되어 전극에 쌓이는 것을 확인할 수 있다. 전극에 쌓인 가 으로 산화되는 stripping peak는 Figure 6.에서 확인된다. peak area는 VA이다. 전하량 Q =, = (Frequency(f)=15Hz, Incr E=0.004V), Q = 16.67=2.30C . Faraday의 electrolysis 제1법칙에 따르면, 전극에서 반응하여 생성소비되는 물질의 질량(몰수)는 전극을 통해 흐른 전하량에 비례한다(m, 즉 Q= (n:반응 몰수, z:전기화학 반응에서 주고받는 전자 수, F=96485C/mol) 이고, 가 로 환원될 때 z=2이므로 반응한 몰수는 n=이다. Conclusions (결론) 4-1 실험에서는 CV로 Ferrocyanide redox 반응의 농도 및 scan rate 변화에 따른 정성 분석을 수행했다. 농도(1–8 mM)와 scan rate(0.05–0.3 V/s)가 증가할수록 redox 종의 농도 구배가 커지고 ip가 증가했으며, 이는 ip vs bulk 농도, ip vs v¹ᐟ² 그래프의 선형성으로 확인되었다. 따라서 반응은 Randles-Sevcik 방정식을 따르는 Ferrocyanide 이온의 free diffusion 기반임을 알았다. 또한 이론적 ΔE=57.0mV(1e⁻) 대비 측정값이 69~128mV로 커 반응이 완전한 reversible이 아니라는 것을 알았다. 4-2 실험에서는 ASV로 Hg redox 반응의 정량 분석을 수행했고, stripping peak 적분으로 구한 전하량 Q=2.30×10⁻⁵ C로부터 Hg²⁺의 몰수 n=1.19×10⁻¹⁰ mol이었다. CV는 산화/환원 전위·가역성 분석에 유용해 반응 메커니즘 연구에, ASV는 극미량 금속 이온의 정량에 유용해 환경·생체·식품 분야에 활용된다. References JAtkins, P.; De Paula, J.; Keeler, J. Atkins’ Physical Chemistry, 11th ed.; Oxford University Press: London, England, 2017. Ewha Womans University. PMC1 Lab manual 2025; Ewha Womans University: Seoul, Korea, 2025. Ewha Womans University. 화실기2025-1 Exp2 Time-Resolved Thermal Lens Calorimetry; Physical Methods in Chemistry I, Ewha Womans University: Seoul, Korea, 2025. Bard, A. J.; Faulkner, L. R. Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications, 2nd ed.; Wiley: New York, 2001.

자연과학| 2025.08.15| 4페이지| 2,000원| 조회(132)

정성분석, 화학실험보고서, 화학실험기법

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[화학실험기법1 A+]Exp3labreport_Computiational Chemistry with Electronic Structure Methods (Quantum Chemistry Calculation SN2 Reaction)

Exp 3. Computiational Chemistry with Electronic Structure Methods (Quantum Chemistry Calculation: SN2 Reaction) Division/, Student ID/, Name/ Abstract (초록) 본 실험은 Gaussian09에 기반한 GaussView 프로그램으로 1,2-Dichloro-1,2-Difluoroethane의 meso-, RR-form과 ethylene, formaldehyde의 화학적 특성을 비교했다. 또한 와 의 SN2 반응의 IRC 계산으로 반응 경로를 확인했다. 1,2-Dichloro-1,2-Difluoroethane에 대하여 meso-form의 dipole moment=0.0174 debye, Total Energy=−749688.302kcal/mol이었고, RR-form의 dipole moment=2.8370debye, Total Energy=−749686.682kcal/mol이었다. ethylene의 dipole moment=0.0034debye, HOMO-LUMO gap=0.5542이었고, formaldehyde의 dipole moment=0.5542debye, HOMO-LUMO gap=0.5644이었다. 와 의 SN2 반응에서는 activation energy=14.52 kJ/mol, reaction energy=–156.42 kJ/mol이었다. Computational chemistry를 통해 분자 구조를 이해하고 reaction path를 결정할 수 있다. Results and Discussion Part 1. Energy calculation of 1,2-Dichloro-1,2-Difluoroethane stereoisomers 1,2-Dichloro-1,2-Difluoroethane의 meso-form, RR-form의 Dipole moment와 Total Energy는 아래와 같다. 1 a.u. (Hartree)=627.509474 kcal.71528593 −749686.682 meso와 RR은 원자배열은 같지만 configuration이 다른 stereoisomer로, CH2F2Cl2에서 F와 Cl의 electronegativity가 C보다 크기에 C-F, C-Cl bond에서의 dipole이 생긴다. 이때 분자가 rotation할 때 F와 Cl 사이 steric hinderance가 생기는데, meso는 상쇄되어 0.0174로 작고, RR은 상쇄되지 않아 2.8370으로 커진다. 따라서 RR은 meso보다 polar하기에 total energy가 더 크다. Part 2. Calculation and visualization of molecular orbitals of ethylene and formaldehyde Dipole moment (unit: Debye) HOMO LUMO HOMO-LUMO gap Ethylene 0.0034 -0.3723 0.1819 0.5542 Formaldehyde 3.0447 -0.4479 0.1165 0.5644 Ethylene은 D2h symmetry의 sp² C 이중결합 분자로, dipole moment가 상쇄되어 0.0034로 거의 nonpolar하다. Formaldehyde는 sp2 C와 O 사이 electronegativity 차이로 인해 dipole moment가 상쇄되지 않아 3.00447로 polar하다. 두 분자는 각각 16개의 전자를 가지며 HOMO는 8번째, LUMO는 9번째 MO이다. MO 형성에 주로 기여하는 atomic orbital(AO)은 2p이다. ethylene은 각 C의 2p orbital에 2개의 전자가 있으므로 첫번째로 bonding MO를 형성하고 두번째로 bonding MO를 형성한다. 이때 bonding MO는 하나의 node와 두 개의 lobe를 가지는 HOMO이다. LUMO는 * anitibonding MO로 두 개의 node와 4개의 lobe를 가진다. formaldehyde는 ethylene와 같은 전자 수를 의 비공유 전자쌍은 nonbonding을 형성한다. HOMO는 n MO, LUMO는 * antibonding MO이다. n orbital은 bond 형성에 참여하지 않고, electronegative O 때문에 낮은 에너지를 가진다. 따라서 formaldehyde의 HOMO-LUMO gap은 0.5644로 ethylene의 0.5542보다 크다. Part 3. Transition state optimization of a simple SN2 reaction and determination of the reaction path Angles of TS(in degrees): F-C-H=82.724, F-C-Cl=180.000, Cl-C-H=97.276 Distances of TS(in Å) : H-C=1.06191, C-F=2.12546, C-Cl=2.13330 반응에서 는 nucleophile가 eletrophile이며, SN2 반응은 concerted 반응이므로 TS에서 C-Cl bond가 C-F보다 0.00784Å 더 길었다. 이는 가 보다 작고 더 강한 결합을 빠르게 형성하기 때문이다. Vibrational frequency에서 TS는 유일한 음수의 값을 가지며, 이는 반응 좌표에서 불안정한, 에너지가 최대인 것을 의미한다. reaction state와 product state는 양수 값을 가진다. Reaction enthalpy()가 -156.6055로 음수이므로 발열반응이다. Hammond posture에 의하면 TS가 reactant state에 더 유사하다고 예상할 수 있지만, concerted 반응이기에 product와 reactant의 중간 상태에 가깝다는 것을 Gaussview로 확인할 수 있다. Reactant Transtition state Product Intrnsic Reaciton Coordinate 2.4241147700 0.0000000000 4.1685094500 Total Energy (Hartree) -598.545927 -5–37.39 kcal/mol=–156.42 kJ/mol Conclusions (결론) 본 실험에서는 GaussView 프로그램을 이용한 Computatioanl chemistry 실험으로, quantum chemistry method의 세가지 실험을 했다. part 1에서는 1,2-Dichloro-1,2-difluoroethane의 RR, meso-form의 dipole moment를 계산하여 configutration 차이에 의한 에너지 차이를 확인하였다. part 2에서는 ethylene과 formaldehyde의 dipole moment와 HOMO, LUMO의 모양과 에너지를 확인했다. 2p 오비탈의 기여로 ethylene의 HOMO는 bonding MO, LUMO는 * antibonding MO이고, formaldehyde의 HOMO는 nonbonding MO, LUMO는 * MO인 것을 알 수 있었다. part 3에서는 SN2 반응의 atomic motion을 관찰하고 Vibration frequency에서의 하나의 음수 값이 TS인 것을 확인하였고, C-Cl이 C-F보다 길이가 긴 TS인 것, IRC를 통해 와 를 구하여 발열반응인 것 알 수 있었다. Computational chemistry는 실험적으로 알기 어려운 분자 구조와 에너지 값을 알 수 있고, 특히 SN2 반응의 TS처럼 일시적인 분자 상태를 자세히 계산하고 이해할 수 있는 화학이다. 4-1 실험에서는 CV를 이용해 Ferrocyanide redox 반응의 농도 및 scan rate 변화에 따른 정성 분석을 수행했다. 농도(1–8 mM)와 scan rate(0.05–0.3 V/s)가 증가할수록 redox 종의 농도 구배가 커지고 ip가 증가했으며, 이는 CV 그래프 및 ip vs 농도, ip vs v¹ᐟ² 그래프의 선형성으로 확인되었다. 따라서 반응은 Randles-Sevcik 방정식을 따르는 Ferrocyanide 이온의 free diffusion 기반임을 알 수 있었다. 또한 이론적적분한 후 계산한 전하량 Q=2.30C이었다. Faraday의 electrolysis 제1법칙에따라 m이므로 반응한 몰수는 n=이었다. CV는 전극 반응의 산화/환원 전위 및 가역성 파악에 유용하여반응 메커니즘 연구에 활용되고, ASV는 극미량 금속 이온의 정량 분석이 가능해 환경/생체/식품 분야 등에 사용된다. References JAtkins, P.; De Paula, J.; Keeler, J. Atkins’ Physical Chemistry, 11th ed.; Oxford University Press: London, England, 2017. Ewha Womans University. PMC1 Lab manual 2025; Ewha Womans University: Seoul, Korea, 2025. Ewha Womans University. 화실기2025-1 Exp2 Time-Resolved Thermal Lens Calorimetry; Physical Methods in Chemistry I, Ewha Womans University: Seoul, Korea, 2025. McMurry, J, Organic chemistry: 10th ed.; Rice University Press: Houston, Texas, 2023. Rohatgi-Mukherjee, K. K. Fundamentals of Photochemistry: 1st ed.; Wiley: New York, 1978. Walker, J. 13.2: Molecular Orbitals for Ethene; LibreTexts. HYPERLINK "https://chem.libretexts.org/Courses/SUNY_Potsdam/Book%3A_Organic_Chemistry_II_(Walker)/13%3A_Extended_pi_Systems_and_Aromaticity/13.02%3A_Molecular_orbitals_for_ethene" https://chem.libretexts.org/5).

자연과학| 2025.08.15| 5페이지| 2,000원| 조회(108)

실험보고서, 화학실험기법, 반응계산

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[화학실험기법1 A+]Exp2labreport_Time-resolved Thermal Lens Calorimetry

Exp 2. Time-resolved Thermal Lens Calorimetry Division/, Student ID/, Name/ Abstract 본 실험에서는 Thermal lens 효과를 이용해 용매의 열용량()과 dye의 몰 흡광도()를 계산했다. He-Ne laser와 oscilloscope를 사용하여 acetone과 methanol에 각각 녹인 azulene과 malachite green oxalate의 빛 강도를 측정하고, Origin에서 exponential function fitting 후,, 을 계산했다. Azulene-Acetone 용액의 =182.86J/mol⦁K(오차 45.76%), =이었고, Azulene-Methanol 용액은 =252.21J/mol⦁K(오차 217.24%), =4.66, Malachite green-Acetone 용액은 =154.79J/mol⦁K (오차 23.38%), =, Malachite green-Methanol 용액은 =192.61J/mol⦁K(오차 142,27%), =23151이었다. 결과값과 문헌값을 통해, malachite green의 전자 전이로 azulene보다 값이 크고, acetone의 많은 C-O, C-H bond와 vibraiton mode로 methanol보다 값이 크다는 것을 알았다. Laser spectroscopy를 사용하면 물질의 특성(, )을 알 수 있다. Results and Discussion 값 계산을 위해 Origin 프로그램을 이용했다. 그래프를 의 exponential function 형태로 fitting하였다. 를 변형하면 로나타낼 수 있으므로, I(t)는 y, I(0)-I(∞)는 , I(∞)는 , 는 과 동일하다. 따라서 I(∞), I(0), 값을 알 수 있고, 아래 reference 값들로 와 를 계산할 수 있다. 모든 실험에서 focal length가 11.3cm일 때 Oscilloscope의 그래프 관찰이 용이하였으므로, 모든 실험에 대하여 ===0.00228cm이다. Reference Value (g/) (mW/cm⦁K) E (unitless) (J/mol⦁K) at 298K Methanol 0.7914 2.014 4.9875 79.5 Acetone 0.7899 1.60 8.1 125.45 Azulene=0.05M, Malachite green oxalate=0.0001M, cell length=0.1cm 1) Azulene-Acetone A===0.002894 = =, ==182.86J/mol⦁K(오차 45.76%) 2) Azulene-Methanol A==0.02329=4.66 =252.21J/mol⦁K (오차 217.24%) 3) Malachite green oxalate-Acetone A=0.04268 =154.79J/mol⦁K (오차 23.38%) 4) Malachite green oxalate-Methanol A=0.2315=23151 =192.61J/mol⦁K (오차 142,27%) malachite green oxalate의 몰 흡광도가 azulene보다 높은 것은 malachite green이 azulene보다 가시광선(633nm)을 잘 흡수하는 것을 의미한다. malachite green은 더 많은 conjugated system과 resonance를 가지며 , 전자 전이를 가지는데, 특히 전이는 energy gap이 더 작아서 가시광선을 잘 흡수할 수 있다. azulene은 비대칭적인 구조로 전이가 일어나지만 가시광선보다는 자외선을 잘 흡수한다. acetone의 은 methanol보다 크다. 이는 acetone이 methanol보다 많은 C-O, C-H bond와 vibraiton mode를 가져서(acetone: 24, methanol: 12) 더 많은 에너지를 흡수⦁저장할 수 있기 때문이다. 같은 종류의 용매의 경우 비슷한 를, 같은 종류의 dye인 경우 비슷한 를 가져야 하지만, 이번 실험에서는 (acetone)이 182.86, 154.79으로, (methanol)이 167.23, 192.61으로 차이가 있었다. (azulene)은 , 4.66으로, (malachite green oxalate)는 , 23151으로 차이가 있었다. 값들의 차이는 값의 차이에서 비롯되었는데 이는 그래프의 fitting 단계에서의 오류의 영향이 크다. 값들 간 차이는, Beer’s law가 묽고 homogeneous한 용액에 대해서만 적용되므로, azulene이 malachite green에 비해 농도가 진해서 오류가 있었다. 또한 시료가 잘 녹지 않았을 가능성, weighing에서의 오류, fitting 단계에서의 오류가 있었을 것이다. 문헌값과 비교했을 때, 관찰된 값들은 오차율이 20~200%였다. 값들이 크게 계산된 이유는 큰 값과 focal length 조정의 정확도 부족 때문이다. exponential 그래프의 fitting에서의 시간을 더 빠르게 하여 오차를 줄일 수 있을 것이다. 또 시료에 따른 focal length 조정에서의 정확도 부족으로, 작은 f값으로 인해 값이 작아지고 값은 크게 계산됐다. 더 정밀히 조정했으면 이번 실험에서보다 큰 f값을 얻었을 것이라 예상한다. Conclusions (결론) 본 실험에서는 He-Ne laser와 oscilloscope를 이용해 Thermal lens 효과를 관찰하고, 용매의 열용량과 염료의 몰 흡광도를 측정헀다. 용매가 빛을 흡수하면 중심부와 주변부의 온도 상승 차이로 인해 용액이 오목렌즈처럼 기능한다. 이를 exponential funciton으로 fitting하고 계산하면 열용량과 몰 흡광도를 도출할 수 있다. 결과값은 오차가 컸는데, 이는 fitting 시 오차, focal length의 정확도 부족, 충분히 묽지 않은 농도, 시료의 불완전한 용해때문으로 예상된다. Laser spectroscopy와 thermal lens 효과를 활용하면 물질에 대해 열역학적이고 분광학적인 정보를 얻을 수 있어 화학 전반적으로 중요한 역할을 할 것이다. References (참고문헌) 참고문헌은 Refer to “Journal of the American Chemical Society” style guide for the Reference style. Atkins, P.; De Paula, J.; Keeler, J. Atkins’ Physical Chemistry, 11th ed.; Oxford University Press: London, England, 2017. Ewha Womans University. PMC1 Lab manual 2025; Ewha Womans University: Seoul, Korea, 2025. Ewha Womans University. 화실기2025-1 Exp2 Time-Resolved Thermal Lens Calorimetry; Physical Methods in Chemistry I, Ewha Womans University: Seoul, Korea, 2025. NIST Chemistry WebBook. Methanol. Thermochemical Data. National Institute of Standards and Technology. Available online: HYPERLINK "https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C67561&Mask=2#Thermo-Condensed" https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C67561&Mask=2#Thermo-Condensed (accessed on April 6, 2025). NIST Chemistry WebBook. Acetone. Thermochemical Data. National Institute of Standards and Technology. Available online: HYPERLINK "https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C67641&Mask=2" https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C67641&Mask=2 (accessed on April 6, 2025). National Center for Biotechnology Information. PubChem Compound Summary for CID 11294, Malachite Green. [Online]; PubChem: Bethesda, MD, 2025. HYPERLINK "https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/11294" https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/11294 (accessed on March 25, 2025). National Center for Biotechnology Information. PubChem Compound Summary for CID 9231, Azulene. [Online]; PubChem: Bethesda, MD, 2025. HYPERLINK "https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/9231" https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/9231 (accessed on March 25, 2025). MaxBrain Chemistry. Types of Electronic Transition. Available online: HYPERLINK "https://www.maxbrainchemistry.com/p/types-of-electronic-transition.html" https://www.maxbrainchemistry.com/p/types-of-electronic-transition.html (accessed on April 6, 2025).

자연과학| 2025.08.15| 4페이지| 2,000원| 조회(91)

실험보고서, 용매, 화학실험기법

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[화학실험기법1 A+]Exp1labreport_Quenching Study with Absorption and Fluorescence Spectroscopy

Exp 1. Quenching Study with Absorption and Fluorescence Spectroscopy Division/, Student ID/, Name/ Abstract 본 실험에서는 UV-vis spectrophotometer와 Fluorescence spectrometer를 이용하여 Coumarin 1과 Quinine sulfate(QS)의 흡광도와 형광을 측정하고 Coumarin 1의 FY를 구했다. 그리고 NaCl 농도에 따른 QS이 흡광도와 형광을 측정함으로써 quenching을 관찰했다. Coumarin 1의 FY (오차 23.3%)이었다. Quenching 실험에서는 NaCl의 농도가 증가함에 따라 QS의 형광이 감소하는 것을 확인했다. Stern-Volmer equation을 이용해 계산한 2차 소광 상수 =이었고 , Debye-Smoluchowski equation을 이용해 계산한 확산 속도 상수 이었다. >에 의해 QS의 NaCl quencher에 의한 quenching이 dynamic quenching에 static quenching이 개입한 반응임을 알 수 있었다. Results and Discussion 1) FY of Coumarin 1 Figure SEQ Figure * ARABIC1. Absorbance of Coumarin and QS Figure SEQ Figure * ARABIC2. Fluorescence of Coumarin and QS Coumarin 1 Quinine Sulfate Absorbance at 350nm 0.096 0.0825 peak area 157649.6 147595.2 Table SEQ Table * ARABIC1. Coumarin과 QS에 대한 흡광도, peak area 분석 물질의 농도가 높으면 형광 측정 시 재흡수가 일어나 그래프가 왜곡될 수 있으므로, 1번 실험에서는 350nm에서의 Coumarin 1과 QS를 흡광도가 0.1 이하이도록 충분히 묽혀 사용하였다. Fi conjugated되어 흡광도가 높고, 구조가 단단하고 non-radiative decay 경로가 적어 형광 세기가 강하다. QS는 벤젠과 aliphatic chian, alcohol, amine이 연결되어있어 Coumarin 1보다는 덜 conjugated되어있어 흡광도가 낮고, non-radiative decay나 자가소광이 일어나 형광 세기가 약하다. 에서 .54이고 두 용액 모두 충분히 묽으므로 와 을 동일하다고 가정하면 , 이다. 형광 수율 또한 Coumarin 1이 QS보다 높은 것을 확인할 수 있다. Coumarin 1(in ethanol)의 형광 수율 문헌값(0.73)과의 오차는 23.3%이다. 측정 전 형광등 아래에서 용액을 방치하였는데, Coumarin 1과 같은 형광 분자들은 자외선이나 형광등에 의해 광화학적인 손상을 입을 수 있기에 FY가 작게 나왔다. 특히 Coumarin의 NEt2기는 산소와 반응하여 광산화되는 등 민감하다. 또한 계량 시 오차가 있었을 것이며 용매에 잘 녹지 않았을 가능성도 있다. 2) Quenching of QS Figure SEQ Figure * ARABIC3. NaCl 농도에 따른 QS 흡광도 Figure SEQ Figure * ARABIC4. NaCl 농도에 따른 QS 형광 [NaCl] (M) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 absorbance at 350nm (AU) 0.133635 0.136012 0.126246 0.127913 0.13449 0.127182 FL peak wavelength (nm) 455.2 455.2 455.4 454.6 453.2 453.4 FL peak intensity (a.u.) 1578 1220 885.3 659 519.4 450.6 Ia 0.264869 0.268881 0.252254 0.25512 0.266314 0.253864 1 1.312382 1.696709 2.305252 3.053176 3.35483 Table SEQ Table * ARABIC2. Ne 4에서 350nm에서의 QS 흡광도는 0.12~0.13으로 비슷한 값이었다. 따라서 NaCl의 quenching이 흡광도에는 영향을 주지 않는다는 것을 알 수 있다. Figure 4에서는 [NaCl]이 증가할 수록 QS의 형광은 감소하는 것을 보아 quenching이 일어났고 NaCl은 quencher로 기능함을 알 수 있다. , 이므로 이고, [NaCl] 농도에 따른 와 를 대입하여 각각 농도에 대해 Q가 있을 때와 없을 때의 FY ration 를 구한다. Stern-Volmer 식 으로 Figure 5와 같은 그래프를 그릴 수 있다. 그래프의 기울기 Stern-Volmer equation constant 이고, QS의 형광 수명 =19.4ns이므로 2차 소광 상수 이다. Debye-Smoluchowski equation 으로 계산한 확산 속도 상수 이다. >이므로 본 실험의 quenching은 확산 한계를 넘는 속도로, 확산 지배적 dynamic quenching만으로는 설명할 수 없는 반응 지배적인 quenching이다. 따라서 quencher 와 QS가 complex를 형성하는 static quenching이 개입한 반응임을 알 수 있다.. Figure SEQ Figure * ARABIC5. Stern-Volmer plot for NaCl quenching Figure SEQ Figure * ARABIC6. dynamic and static quenching Figure 5에서 [NaCl] 0.3M 이후로는 그래프가 위로 굽는 양상이 관찰되는데, 이 또한 static quenching의 작용을 의미한다.(과도한 quenching, 아래로 굽으면 quenching 효율 감소를 의미) 이외에도 NaCl은 해리되어 Na+와 Cl-로 존재하고, quencher Cl-과 QS 사이 정전기적 상호작용에 의해 국소적으로 quencher 농도가 높아졌고, 계산이 커진 것으로도 추론이 가능하다. Conclusions (결론) 실험 1에서는 Quinine sulfS보다 높은 흡광도와 형광을 보인 것은 더 잘 conjugated된 구조와 적은 non-radiative decay 때문이다. 계산한 는 문헌값 대비 23.3% 낮았으며, 이는 형광등에 의한 광화학적 손상에 의한 것으로 추정된다. 실험 2에서는 NaCl 농도에 따른 QS의 quenching을 관찰했다. Stern-Volmer plot에서 전반적으로 QS의 FY는 NaCl 농도에 비례하게 증가하였으나, [NaCl] 0.3M 이후 그래프가 위로 굽는 형태로 static quenching의 개입을 확인했다. 또한 >이므로 dynamic quenching에 static quenching이 개입한 반응임을 알 수 있었다. References (참고문헌) Atkins, P.; De Paula, J.; Keeler, J. Atkins’ Physical Chemistry, 11th ed.; Oxford University Press: London, England, 2017. Lakowicz, J. R. Principles of Fluorescence Spectroscopy, 3rd ed.; Springer: New York, 2006. Ewha Womans University. PMC1 Lab manual 2025; Ewha Womans University: Seoul, Korea, 2025. Ewha Womans University. 화실기2025-1 Exp2 Time-Resolved Thermal Lens Calorimetry; Physical Methods in Chemistry I, Ewha Womans University: Seoul, Korea, 2025. National Center for Biotechnology Information. PubChem Compound Summary for CID 16051948, Quinine sulfate. PubChem. HYPERLINK "https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/16051tional Center for Biotechnology Information. PubChem Compound Summary for CID 323, Coumarin. PubChem. HYPERLINK "https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/323" https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/323 (accessed June 1, 2025). LibreTexts. The Fluorescence Lifetime and Quenching. Chemistry LibreTexts. HYPERLINK "https://chem.libretexts.org/Courses/Providence_College/CHM_331_Advanced_Analytical_Chemistry_1/10%3A_Molecular_Luminescence_Spectrometry/10.03%3A_Applications_of_Photoluminescence_Methods/10.3.04%3A_The_Fluorescence_Lifetime_and_Quenching" https://chem.libretexts.org/Courses/Providence_College/CHM_331_Advanced_Analytical_Chemistry_1/10%3A_Molecular_Luminescence_Spectrometry/10.03%3A_Applications_of_Photoluminescence_Methods/10.3.04%3A_The_Fluorescence_Lifetime_and_Quenching (accessed June 1, 2025). PhotochemCAD. Coumarin 1 Fluorescence Quantum Yield Data. PhotochemCAD: Photochemical and Photophysical Property Database. HYPERLINK "https://omlc.org/spectra/PhotochemCAD/html/04.

자연과학| 2025.08.15| 4페이지| 2,000원| 조회(104)

형광, 흡광도, 실험보고서, 화학실험기법

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[화학실험기법1 A+]Exp5prelab_Time-Resolved Photoluminescence Spectroscopy

Exp 5. Time-Resolved Photoluminescence Spectroscopy Division/, Student ID/, Name/ 1.Introduction (서론) 물질은 광자를 흡수해 전자가 ground state(에서 exctied state()로 전이하고, 에너지를 방출하며 복귀한다. fluorescence는 singlet spin-allowed 빠른 전이이고, phosphorescence는 triplet spin-forbidden 느린 전이이다. 이러한 광방출 현상은 Photoluminescence로 통칭된다. Time-Resolved Photoluminescence (TRPL) 분광법은 photoexcitation 이후 시간에 따른 PL decay를 측정해 PL lifetime()을 분석하며, 이는 시간 평균값을 제공하는 steady-state PL과 달리 분자의 excited-state 동역학 및 상호작용을 반영한다. 은 용매, quenching, 에너지 전달 등 환경적 요인에 민감하다. Quenching은 광자 방출 전 quencher(Q)에 의해 에너지가 소실되는 non-radiative 과정이다. dynamic quenching은 excited-stae에서 발광 분자와 Q의 충돌로 가 감소하며, static quenching은 ground-state에서 발광 분자와 Q가 복합체를 형성하여 는 일정하고 intensity만 감소한다. TRPL는 quenching 메커니즘(static/dynamic) 구분 외에도 FRET, 전자 이동, singlet/tirplet 분석 등에 활용된다. 본 실험에서 는 photosensitizer, 는 Q로 사용된다. 는 Ru(Ⅱ) 중심에 3개의 bypyridine ligand가 결합된 transition metal complex로, 빛 흡수 시 전자는 metal-to-ligand charge transfer(MLCT) 상태로 전이된다. 무거운 Ru(Ⅱ)로 인한 spin-orbit couping(SOC)으로 singlet MLCT는 안정한 triplet MLCT로 전이되며(intersystem crossing(ISC)), 수명이 긴 triplet 상태는 nonradiative 과정을 관찰하기 적합하다. 가 quenched되면 PL decay는 형태를 따르며, Q 존재 시 non-radiative deactivation에 의해 와 intensity가 감소하고 decay rate가 증가한다. dynamic quenching은 Stern-Volmer equation 을 따르며, 여러 [Q]에서 을 측정함으로써 quenching 속도 상수 를 구할 수 있다. 단, Q 첨가는 용액 희석 효과에 의한 흡광 차이에 영향을 줄 수 있으므로, 본 실험에서는 Q addition과 only solvent addition 조건을 병행하여 비교한다. TRPL 실험 기기는 레이저에게 신호를 주고 전기적 waveform을 만드는 Wave Generator, Nanosecond laser, 레이저 빛을 평행하게 모으는 Plano-Convex lens, 특정 파장보다 긴 파장만 통과시키는 Long pass filter, 빛을 전기 신호로 변화하는 Photodiode, 전기 신호를 시간에 따라 시각화하는 Oscilloscope로 구성된다. 2. Experimental Section cable이 Wave Generator랑 Oscilloscope에 잘 연결되어있는지 확인한다.(Ch1 in the Wave Generator는 laser랑 연결, Ch1 in Oscilloscope는 photodiode와 연결, Ch2 in Oscilloscope는 laser와 연결). photodiode 앞에 550nm long-pass filter를 꽂는다. oscilloscope USB가 컴퓨터와 연결되어있는건지 확인한다. laser 뒤 열쇠를 돌려서 전원을 켠다. Ch1 on the wavegenerator를 누르고 oscillosocpe의 Ch2 window에서 상응하는 신호가 보이는지 확인한다. Ch1 in the oscilloscope를 누르고 신호가 보이는지 확인한다. 1) TRPL spectroscopy of Dynamic PL quenching for HCl 12M 기준 4.17ml HCl과 D.W를 섞어 0.5M HCl 100ml를 준비한다. 22.458mg을 0.5M HCl에 녹여 1mM stock solution 30ml를 준비한다. FeCl3 0.1276g을 0.5M HCl에 녹여 80mM stock solution 10ml를 준비한다. 1mM stock solution 3.92ml을 0.5 HCl에 묽혀 0.14mM 를 준비한다. 용액 샘플의 UV-vis absorption spectrum을 측정한다. 2ml를 큐벳에 넣고 용액의 흡광도가 0.2OD 이하인지 확인한다. Beer-Lambert Law와 molar extinction coefficient(14600)를 이용하여 의 농도를 계산한다. 4개의 샘플을 각각 10ml vial에 넣는다.(0.14mM 3ml씩, 80mM 는 각각 0, 10 4개의 샘플에 대하여 UV-vis absorption과 steady-state PL spectra 측정, TRPL decay profiles 측정 2) TRPL spectroscopy for Diluted PL for 0.14mM 용액으로 3개의 다른 희석 샘플을 만든다. 0.14mM 3ml를 세 개의 vial에 넣고, 각각 0.5M HCl 용매를 0.5ml, 1ml, 1.5ml 넣는다. 3개의 샘플에 대하여 UV-vis bsorption과 steady-state PL spectra 측정, TRPL decay profiles 측정 References (참고문헌) Atkins, P.; De Paula, J.; Keeler, J. Atkins’ Physical Chemistry, 11th ed.; Oxford University Press: London, England, 2017. Ewha Womans University. PMC1 Lab manual 2025; Ewha Womans University: Seoul, Korea, 2025. Ewha Womans University. 화실기2025-1 Exp2 Time-Resolved Thermal Lens Calorimetry; Physical Methods in Chemistry I, Ewha Womans University: Seoul, Korea, 2025. Hydrochloric Acid. PubChem Compound Summary for CID 313, National Center for Biotechnology Information. Available at: HYPERLINK "https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/313" https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/313 . Accessed May 15, 2025. Tris(2,2′-bipyridyl)ruthenium(II) chloride hexahydrate. PubChem Compound Summary for CID 2724201, National Center for Biotechnology Information. Available at: HYPERLINK "https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/2724201" https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/2724201 . Accessed May 15, 2025. Ferric Chloride. PubChem Compound Summary for CID 24380, National Center for Biotechnology Information. Available at: HYPERLINK "https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/24380" https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/24380 . Accessed May 15, 2025.

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물질, 실험보고서, 화학실험기법, 광자

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[화학실험기법1 A+]Exp4prelab_Electrochemistry Cyclic Voltammetry of Ferrocyanide. Anodic Stripping Voltametry

Exp 4-1. Electrochemistry: Cyclic Voltammetry of Ferrocyanide, Exp 4-2. Anodic Stripping Voltammetry: Detection of Mercury Ions Aqueous Solution Division/, Student ID/, Name/ 1.Introduction (서론) 전기화학은 전극-분자 사이, 또는 금속 전극 계면에서의 전자 이동에 대한 화학이고, Voltammetry는 적은 양의 시료로 전위에 따른 전류를 측정하여 analyte의 정보를 얻는 전기화학적 방법이다. working electrode는 관심있는 redox 반응을 유도하고, reference electrode는 기준 전위 제공, counter electrode는 전류 흐름 완성, Supproting electorlyte는 전도도를 높인다. working electrode에서는 전압이 Low, High, Low로 변화하며, redox 분자의 potential scan direction이 바뀐다. 첫번째 Cyclic Voltammetry(CV) 실험에서는 redox 반응이 전극과 수용액에서 일어난다. 초기 전류는 0이고, working electrode 전위가 감소하면 전극 표면 가 로 환원되어 reduction peak가 나타난다. 이후 의 확산 속도보다 환원 속도가 빨라 전류는 감소한다. 수용액 속 가 모두 환원되면, 가 로 산화되며 oxidation peak가 나타난다. Ferrocyanide는 1전자 산화/환원이고, 전극 계면에서 전자 전달 속도가 빨라 반응물과 생성물 간 평형을 유지한다. 이런 빠른 전자 전달 반응을 reversible reaction이라고 하고, 산화와 환원 peak current 사이 전위 차(ΔE)=으로 나타낸다. CV에서 측정된 전류 값(ip)는 반응 속도와 관련되며, 확산 외 물질 이동의 개입이 없다면 다음과 같다., (at 25℃).는 redox bulk 농도와 비례하고, 다른 물질 이동의 개입이 없는 free diffusion일 경우 에도 비례한다. redox 종이 전극에 흡착하여 반응에 참여하면 는 v에 비례한다. Charging current()는 그래프에서 를 제외한 밑부분인데, v를 매우 증가시키면 가 보다 커져 그래프 관찰이 어렵다. 두번째 실험은 Anodic Stripping Voltammetry(ASV)으로, 수용액 trace metal ions 검출과 quantification에 사용되는 전기화학적 분석 방법이다. Deposition step에서는 working electrode에 - potential을 주면 으로 가 로 환원되어 전극에 쌓인다. Stripping step에서는 + potential이 걸어지고, 가 로 산화되는 potential을 확인할 수 있으며 적분하여 의 반응 몰수를 계산할 수 있다. 2. Experimental Section 4-1. Cyclic Voltammetry of Ferrocyanide KCl 0.3722g을 D.W. 50mL에 녹여서 100mM의 KCl 용액을 만든다. 그리고 potassium ferrocyanide를 33.79mg, 16.90mg, 8.45mg, 4.22mg 사용하여 만들어둔 KCl 용액 10mL에 각각 넣어 8mM, 4mM, 2mM, 1mM의 potassium ferrocyanide 용액을 만든다. CV 측정을 위해 3전극(working electrode: disk electrode, reference electrode: Ag/AgCl, counter electrode: Pt wire)를 준비한다. 3전극 셋업을 측정하려는 용액이 담긴 electrochemical cell에 넣는다. C.E, R,E, W,E를 potentiostat에 연결한다. 전극이 서로 닿지 않고 cell 바닥에 닿지 않도록 한다. Working electrode를 polishing할 때는 polishing pad에 alumina powder를 올리고 약간의 물을 부어서 slurry를 만든 다음, W.E를 그 위에 올리고 2분 이상 8자를 그리며 문지르고 D.W로 세척한다. Turn on the Potentiostat> program을 열고 tab bar에서 Setup을 클릭 > 측정 전 기기 체크하기 위한 Hardware test OK > Technique> CV> Ok> parameters(정보 채우기)>Run>결과 확인 4-2. Anodic Stripping Voltammetry: Detection of Mercury Ions Aqueous Solution NaCl 0.2292g을 D.W 50mL에 녹여 0.1M의 NaCl 용액을 준비한다. HgCl2 0.0543g을 0.1M NaCl 용액 20mL에 녹여 10mM의 HgCl2 용액을 준비한다. W.E(Glassy Carbon Electrode)를 0.5m alumina slurry로 polishing하고, D.W, ethanol, acetone, D.W 순으로 세척한다. R.E(Ag/AgCl)에 공기 방울 없이 filling이 잘 되었는지 확인한다. C.E(Pt wire)를 D.W, ethanol, acetone, D.W로 세척한다. background solution 확인: Turn on the Potentiostat> software 열기> 3전극 확인> Setup> Hardware test OK>GCE의 working condition 체크하기 위해 FcMeOH standard solution 10mL를 electrochemial cell에 넣고 crocodile pins를 전극에 연결> cyclic voltammetry, initial voltage 0V, final voltage 0V, low voltage 0V, high voltage 0.6V, scan rete 0.05V/s, segment 2, sensitivity 확인하고 run Sample Measurement: 10mM HgCl2 solution의 10mL를 cell에 넣고 모든 전극을 연결한 뒤 ASV 측정한다. (Deposition step): initial voltage 0V, final voltage 0V, low voltage -1.2V, number of steps 2, pulse with 60s, segment 2, sensitivity 확인하고 run. (Stripping step): initial voltage 0V, final voltage 0.5V, sensitivity 확인하고 run, 이후 전극을 세척하고 polishing한다. References (참고문헌) Atkins, P.; De Paula, J.; Keeler, J. Atkins’ Physical Chemistry, 11th ed.; Oxford University Press: London, England, 2017. Ewha Womans University. PMC1 Lab manual 2025; Ewha Womans University: Seoul, Korea, 2025. Ewha Womans University. 화실기2025-1 Exp2 Time-Resolved Thermal Lens Calorimetry; Physical Methods in Chemistry I, Ewha Womans University: Seoul, Korea, 2025. National Center for Biotechnology Information. PubChem Compound Summary for CID 11294, Potassium chloride. [Online]; PubChem: Bethesda, MD, 2025. HYPERLINK "https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Potassium-chloride" https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Potassium-chloride (accessed May 1st, 2025).

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전기화학, 실험보고서, 화학실험기법

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[화학실험기법1 A+]Exp3prelab_ Computiational Chemistry with Electronic Structure Methods (Quantum Chemistry Calculation SN2 Reaction)

Exp 3. Computiational Chemistry with Electronic Structure Methods (Quantum Chemistry Calculation: SN2 Reaction) Division/, Student ID/, Name 1.Introduction (서론) Computiational chemistry는 원자와 분자를 수치적으로 modeling하여 화학 반응, 분자 구조, 역학을 연구하는 분야로, 실험적 방법의 한계와 일시적 분자 상태의 불안정성으로 알 수 없었던 화학을 이해할 수 있다. 분자구조와 반응을 다루는 quantum chemistry와 수용액 상의 단백질, 나노입자 등 많은 분자로 구성된 액체, 고체의 classical molecular dynamics가 있다. 분자의 화학적 특징은 Schrödinger equation(HΨ=EΨ)로 이해되지만, 대부분의 분자에 대해 정확히 풀기 어려워 이를 컴퓨터로 계산하는 방법을 quantum chemistry method라고 하고, 대표적으로 semi-empirical, ab initio, density functional 방법이 있다. 전자 분포를 계산하므로 원자, 분자 간 전자 재배치 반응 연구에서 유용하지만, 복잡한 분자 계산은 시간이 많이 소요된다. 본 실험에서는 Gaussian09에 기반한 GaussView 프로그램으로 quantum chemistry method의 세가지 실험을 한다. 첫 번째 실험에서는 1,2-Dichloro-1,2-difluoroethane stereoisomers의 에너지와 dipole moment를 계산한다. stereoimsomers는 구조적으로 같지만 공간적 배열이 다르다. RR-과 SS-는 enantiomers로 chiral하고 물리적 특성이 같지만 optical activity가 다르다. meso-는 achiral하다. 두 번째 실험에서는 ethylene과 formaldehyde의 molecular orbital를 시각화, dipole moment 계산, HOMO와 LUMO를 비교하고 오비탈 종류을 알아본다. 두 분자는 전자 개수가 16개로 같아, 8번째 MO가 HOMO이고 9번째 MO가 LUMO이다. 세 번째 실험에서는 CH3Cl과 사이 SN2 반응의 trasition state optimization, 반응 경로를 결정한다. potential energy surface(PES)는 다차원적으로 분자의 에너지를 나타낸 것이고, 반응 경로의 1차원 표현을 reaction coordinate라고 한다. SN2 반응은 concerted reaction으로, reaction coordinate에서 에너지가 최대인 상태를 transition state(TS)라고 한다. 실험에서 approximate reaction coordinate는 , , 사이의 거리이다. 가 C를 향하면 C-결합길이는 길어지고, TS에서 , 는 C와 상호작용하지는 완전한 결합을 형성하지는 않으며(에너지 최대), C-F 결합 형성이 시작되면 은 떨어지고 에너지는 최저가 된다. intrinsic reaction coordinate(IRC) method는 반응 경로를 TS에서 reactant와 product로 추적할 때, mass-weighted coordinate의 PES에서 반응 에너지가 최소로 가는 경로를 찾고 각각의 에너지를 계산한다. 2. Experimental Section (실험 방법)_ 실험이 A/B로 나뉘어 있다면 A,B 나눠서 작성하고, 그렇지 않다면 나눠서 작성하지 않아도 됩니다. (1) 1,2-Dichloro-1,2-Difluoroethane stereoisomers의 에너지 계산 1. Gaussview를 실행 후, 1,2-dicholoro-1,2-difluoroethane의 RR-, meso-form을 만들고 각각의 결합길이와 결합각도들을 조절한다. (결합길이: 1.53(C-C), 1.76(C-Cl), 1.37(C-F), 1.09(C-H), 결합각도: 109.4(C-C-Cl), 109.5(C-C-F), 109.6(C-C-H), dihedral angle: 180.(Cl-C-Cl), 60.0(F-C-C-Cl), 60.0(H-C-C-Cl)) 2. “Gaussian Calculation Setup”을 열어서 계산 방법을 설정한다. RHF/6-31G(d) 방법으로 에너지 계산 후 에너지와 dipole moment를 기록한다. (2) ethylene과 formaldehyde의 molecular orbitals의 계산과 시각화 1. 새로운 molecular group을 생성하여 ethlyene을 만들고 각각의 결합길이, 결합각도를 조절한다. (결합길이: 1.316(C-C), 1.073(C-H), 결합각도: 122.0(C-C-H), dihedral angle: 0. or 180.0(H-C-C-H)) 2. (1)번 실험과 같이 계산 후, dipole momen 기록, HOMO와 LUMO를 비교한다. 3. 새로운 molecular group을 생성하여 formaldehyde을 만들고 각각의 결합길이, 결합각도를 조절한다. (결합길이 : 1.26 (C=0), 1.07 (C-H), 결합각도 : 120.0 (O-C-H)) 4. (1)번 실험과 같이 계산 후, dipole momen 기록, HOMO와 LUMO를 비교한다. (3) simple SN2 반응의 transition state optimization과 반응 경로 결정 1. 새로운 molecular group 생성 후 F-CH3-Cl을 만들고 각각의 결합길이와 결합각도들을 조절한다. (결합길이 : 2.20 (C-F), 2.20 (C-Cl), 1.070 (C-H), 결합각도 : 120.0 (H-C-H), 90.0 (F-C-H), 90.0 (Cl-C-H)) 2. “Gaussian Calculation Setup” 계산 방법을 설정하고, RHF/6-31G(d)와 Transition State Optimization 방법으로 Transition State의 최적 구조를 찾는다. Vibrational frequency 중에서 오직 하나의 값이 negative 임(transition state)을 확인한다. 3. 최적화된 구조로부터 IRC (Intrinsic Reaction Coordinate)을 계산하고 Reaction Coordinate 에 따른 에너지 변화를 관찰한다. RHF/6-31G(d)와 charge: -1 을 사용한다. References (참고문헌) Atkins, P.; De Paula, J.; Keeler, J. Atkins’ Physical Chemistry, 11th ed.; Oxford University Press: London, England, 2017. McMurry, J, Organic chemistry: 10th ed.; Rice University Press: Houston, Texas, 2023. Ewha Womans University. PMC1 Lab manual 2025; Ewha Womans University: Seoul, Korea, 2025. Ewha Womans University. 화실기2025-1 Exp2 Time-Resolved Thermal Lens Calorimetry; Physical Methods in Chemistry I, Ewha Womans University: Seoul, Korea, 2025. SCM. IRC. AMS Computational Chemistry Documentation. HYPERLINK "https://www.scm.com/doc/AMS/Tasks/IRC.html" https://www.scm.com/doc/AMS/Tasks/IRC.html , accessed April 9, 2025.

자연과학| 2025.08.15| 3페이지| 2,000원| 조회(101)

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[화학실험기법1 A+]Exp2prelab_Time-resolved Thermal Lens Calorimetry

Exp 2. Time-resolved Thermal Lens Calorimetry Division/, Student ID/, Name/ 1.Introduction (서론) 이 실험에은 Thermal lens 효과를 이용해 용매의 열용량과 dye의 몰 흡광도를 측정한다. 분광법은 물질과 방출된 에너지의 상호작용을 연구하며 분자 구조와 역학을 알 수 있다. 레이저는 단색성, 직진성, 고에너지 강도라는 장점이 있어 광원으로 주로 사용된다. He-Ne laser는 Thermal lens 효과 분석에 적합한 붉은색 가시광선을 사용하고, chopper는 레이저 빛을 on/off하여 square-wave pulse를 만든다. lens는 빛을 집속하고, iris는 산란광을 차단, photodiode는 빛을 전기 신호로 변환, oscilloscope는 주기적·반복적 전압인 time-oscillatory 신호일 때 즉각적으로 변하는 신호를 관찰하여 모델링한다. sample은 레이저 빔의 반경이 집광 반경의 √2배인 지점에 위치시킨다.(Wc=√2W0, W0=λf/πWi) Thermal lens 효과는 sample 용액의 다른 영역에서의 굴절률 차이에 의한 현상이다. 용매가 빛을 흡수하면 non-radiative relaxation에 의해 대부분 열로 전환되고 용액 온도는 상승한다. Gaussian beam에 의한 sample 중심부의 온도 상승은 밀도 감소, 빛의 속도 증가, 굴절률 감소를 초래하고(n=c/v), 반면 주변부는 굴절률을 유지하여 diversing lens 효과로 인해 빛이 확산되고 세기는 감소한다. Thermal lens 효과는 용매의 열 전도율에 의해 시간 의존적이다. laser가 sample에 대해 열리면 sample에 열이 축적되고 Thermal lens 효과가 점점 강해져서, 열 전도율과 유한한 온도 상승에 의해 laser heating 속도와 heat loss 속도가 같아지면 steady-state에 도달하여 빛 강도 변화가 없다. oscilloscope에서 관찰된 빛 세기는 식을 만족하고, tc는 I값이 전체 세기 변화의 1/e배가 되는 시간을 의미하며, 컴퓨터 계산을 통해 구할 수 있다. 작은 tc 값은 빠른 Thermal lens 효과를 의미한다. 이므로 spot size, 밀도, 용매의 열 전도율을 알면 열용량을 구할 수 있다. dye 물질의 몰 흡광도 ε는 Beer’s law(A=εbc)로 구할 수 있고, 흡광도 A는 식을 이용하여 구할 수 있다. 실험에서 사용한 용매 중 수소결합이 있는 methanol은 acetone보다 온도 상승이 느릴 것이고, 따라서 Cp는 methanol>acetone일 것이다. 녹색, 푸른색 dye인 Malachite green과 azulene은 붉은 레이저 빛을 흡수할 것이며, cataonic form을 가지는 Malachite green의 ε가 azulene보다 클 것이다. 2. Experimental Section (실험 방법)_ 실험이 A/B로 나뉘어 있다면 A,B 나눠서 작성하고, 그렇지 않다면 나눠서 작성하지 않아도 됩니다. (1) 50mL acetone과 methanol에 각각 0.00463g malachite green oxalate를 녹여 0.1mM sample 용액을 만든다. 50mL acetone과 methanol에 각각 0.032g azulene을 녹여 50mM sample 용액을 만든다. (2) He-Ne laser와 기구의 전원을 켠다. 실험 전 레이저를 10분 동안 예열한다. (3) reflective mirrors, chopper, focusing lens를 조정시켜서 laser가 oscilloscope에 직면하게 한다. (4) sample이 담긴 cuvet을 기구 안에 위치시킨다. (5) iris와 focal lenth(f)를 조정하여 oscilloscope에서의 신호가 명확한 waveform을 나타내게 한다. (6) 신호를 capture하기 위해 STOP 버튼을 누르고, 컴퓨터 프로그램으로 전송하여 프로그램을 작동시킨다. 하단 지시를 따른다. - 프로그램 작동> “Tools”> “Connect to Oscilloscope” > 컴퓨터 스크린 오른쪽 상단 사각형이 푸른색으로 바뀌는 것을 확인 - “Add new waveform” > “Refresh” (signal transfer) > 숫자값 얻기 위해서 커서 X/Y 조정 - 왼쪽 하단 “Data Browser” 패널의 “Wave0” 클릭> “Add New” > “Data”> “Refresh” > “Export to Excel” - Origin Program을 사용하여, 에 맞는 data 범위를 선택하여 “Analysis”> “Fitting” > “Fit Exponential” > “Open Dialog” - “Settings” > “Function: Exponential” 선택 - coefficients A1, y0, R0은 =에 data를 넣음으로써 값이 나오고, I(0), I(, tc도 이 값들로부터 얻어질 수 있다. (7) 열용량과 몰 흡광도를 계산하고 결과를 논의한다. References (참고문헌) Atkins, P.; De Paula, J.; Keeler, J. Atkins’ Physical Chemistry, 11th ed.; Oxford University Press: London, England, 2017. Ewha Womans University. PMC1 Lab manual 2025; Ewha Womans University: Seoul, Korea, 2025. Ewha Womans University. 화실기2025-1 Exp2 Time-Resolved Thermal Lens Calorimetry; Physical Methods in Chemistry I, Ewha Womans University: Seoul, Korea, 2025. National Center for Biotechnology Information. PubChem Compound Summary for CID 11294, Malachite Green. [Online]; PubChem: Bethesda, MD, 2025. https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/11294 (accessed March 25, 2025). National Center for Biotechnology Information. PubChem Compound Summary for CID 9231, Azulene. [Online]; PubChem: Bethesda, MD, 2025. https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/9231 (accessed March 25, 2025).

자연과학| 2025.08.15| 3페이지| 2,000원| 조회(116)

실험보고서, 분광법, 화학실험기법

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[화학실험기법1 A+]Exp1prelab_Quenching Study with Absorption and Fluorescence Spectroscopy

Exp 1 . Quenching Study with Absorption and Fluorescence Spectroscopy Division/, Student ID/, Name 1.Introduction (서론) 분자가 빛에 의해 excited되면 전자는 더 높은 에너지 상태로 가고 radiative (fluorescence, phosphorescence) 또는 non-radiative 방식으로 에너지를 소모·전환한다. 흡광 후 전자는 Radiationless decay하며 들뜬 상태로 머물하다가 형광을 나타내므로, 흡광은 형광보다 에너지가 크고 파장은 짧다. Fluorescence yield(FY) 이며, 직접 측정하기 어렵기에 본 실험에서는 Coumarin의 FY()를 얻기 위해 Quinine sulfate의 referenece FY()를 식에 대입하여 상대적으로 구했다. 같은 용매를 사용한 묽은 용액에서 굴절률 n은 비슷하므로 와 가 동일하다고 가정하여 식을 단순화한다. Quenching은 다른 종에 의해 형광 lifetime이 감소하는 현상이며, 화학적 quencher(Q)에 의한 quenching의 경우 S*+QS+Q, v=[Q][S*]이다.(본 실험 S=Quinine sulafate, Q= NaCl) 이때 Stern-Volmer 식 을 따른다.(=Q없을 때 FY, =Q 있을 때 FY, =2nd order rate constant, =Q 없을 때 분자의 fluorescnece lifetime) [Q]가 증가하면 형광은 감소하므로 은 에 선형적으로 비례하고 기울기 K는 Stern-Volmer 상수이다. 실험 단순화를 위해 FY 비를 =와 같이 peak 형광 세기로 나타낸다. 형광은 흡수된 빛의 양에 영향받으므로 각 형광 세기를 흡광 세기로 나누어 normalize한다. 흡광 세기로 계산한다. (A=해당 파장에서의 흡광도) Quenching은 의 bimolecular 반응이고, 반응속도는 v=[Q][S]이다. Q와 S가 확산에 의해 만나고, cage effect로 인해 용매가 QS를 둘러싸서 Q의 재충돌이 일어나므로 반응 속도는 확산지배적이다.

자연과학| 2025.08.15| 3페이지| 2,000원| 조회(106)

분자, 화학실험보고서, 화학실험기법

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