I. Abstract본 실험에서는 증류수, 설탕물, 소금물 등의 여러 물질의 전기전도도를 건전지가 장착된 회로 에 연결하여 관찰하였고 이중 소금물만이 전기전도도가 높다는 것을 확인하였다. 또한 구리, 아연, 납의 이온화 경향성을 금속 반응성을 통해 파악하였고 전기화학적 서열이 Zn > Pb > Cu으로 이온화 경향성이 높아진 다는 것을 확인하였다. 그리고 구리, 아연, 납을 활용하여 다니엘 전지를 제작하 고 기전력을 측정했으며 대표적으로 0.1M CuSO4, 0.1M ZnSO4 을 활용한 다니엘 전지에서 기전력이 1.105V로 측정되었고 이는 이론값과의 0.45% 오차를 나타내는 값이었다. 또한 금속이온의 농도를 다르게 하여 다니엘 전지의 기전력을 측정하여 네른스트 식이 어느정도 잘 성립됨을 확인하였다.이를 통해 물질의 전기전도도, 전기화학적 서열, 그리고 다니엘 전지의 기전력과 네른스트식에 대한 이해를 제고할 수 있었다.II. Introduction2.1 실험의 목적본 실험의 목적은 물질의 전기전도도와 전기화학적 서열를 이해하고 다니엘 전지의 기전력 측정을 통한 네른스트식 성립 확인하는 것에 있다. 이를 위해 증류수, 설탕물, 소금물 등의 물질 의 전기전도도를 건전지의 외부 전기에너지로 작동하는 회로의 일부분으로 하여 전기가 흐르는지 확인하였다. 또한 물질의 전기화학적 서열을 이해하기 위해 구리, 아연, 납의 이온화 경향성을 금 속 반응성을 통해 확인하였다. 또한 네른스트식의 성립을 확인하기 위해 구리, 아연, 납을 활용하 여 다니엘 전지를 제작하고 기전력을 측정하였으며, 용액 속 금속이온의 농도를 다르게 하면서 전지의 기전력을 측정하여 네른스트 식이 어느 정도 성립되는지 확인하였다.2.2 이론적 배경2.2.1 산화환원반응물질은 원소로 이루어져 있는데 각 원소는 고유한 전기음성도를 가져서 전자를 핵 주위로 끌어당기는 능력이 다르다.
I. Abstract본 실험에서는 여러 과산화수소 농도(0.5%, 1%, 2%, 3%, 4%, 6%)를 가지는 용액과 감자 추출액을 반응시켜 발생하는 기체에 대한 압력을 측정하는 실험을 진행하였다. 강염기 용액을 통해 감자즙 안의 효소를 비활성화시킨 후 기체압력변화를 측정하였을 때 지속적인 기체 발생을 측정하지 못 했으므로 negative control로 사용하였다. 과산화수소의 농도에 따라 발생하는 기체압력 변화를 측 정하여 초기반응속도를 구하였고 이는 각각 0.2642, 0.5284, 1.3212, 1.3212, 2.906, 3.962 hPa/sec 이었 다. 이후 Michaelis-Menten plot과 Lineweaver-Burk plot을 그려 Km/Vmax = 0.6293은 구했지만 Km과 Vmax은 Vmax = -14.8357 hPa/s, Km = -0.1071 M으로 음수 값으로 계산되는 오차를 얻을 수 있었다. 이를 통해 Michaelis-Menten plot과 Lineweaver-Burk plot에 대한 이해를 제고하고 기질과 효소, 그리고 반응속도의 관계를 탐구할 수 있었다.II. Introduction2.1 효소효소란 생명활동에 필요한 생화학적 반응을 촉진하거나 억제하는 생체촉매이다. 효소는 보통 단백질인 경우가 많고 특정 기질에 특이성을 보인다. 효소와 기질의 특이성을 설명하기 위한 Lock-and-key mechanism은 효소의 기질과의 결합부위인 active site가 기질의 분자구조와 정확히 일 치하여 결합한다는 mechanism이다. 이는 이후 효소와 기질이 약간의 분자구조적 변화를 동반하여 결합을 한다는 induced-fit mechanism으로 대체되었다. 기질은 효소의 active site에 위치된 후에 반응 이 진행되며 반응이 끝나면 active site에서 떨어져 나오게 되고 다른 기질이 다시 active site에 결합 하게 된다 (1).
(a) 상자 속 입자 모델에서 “상자”와 “입자란 각각 무엇을 뜻하는지 구체적인 예시를 들어 설명하세요.“상자”는 1차원 공간에서 L이라는 거리만큼 떨어진 무한대의 potential energy를 가진 벽을 의미한 다. 이 무한대의 potential energy 값을 가지는 벽 사이 공간은 potential energy가 0이고 이 위치가 이 “상자”의 내부가 될 것이다. “입자”는 이러한 “상자”의 내부에 존재하는 질량을 가진 입자이다1. 구체적인 예시로 “상자”는 conjugation된 p-orbital이 있을 수 있고, “입자”로는 이 conjugation된 porbital내 존재하는 π-전자가 있다. 전자가 존재할 확률이 높은 conjugation된 p-orbital 안의 π-전 자는 상자 사이의 공간에 존재하는 입자와 닮아 있다. (b) 상자 속 입자 모델의 에너지 식은 아래와 같습니다(En = n2h2/8mL2). 각 항이 무엇을 뜻하는 지 설명하세요.n은 자연수를 의미하고, h는 플랑크 상수로 6.626 X 10-34 J s 값을 갖는다. m은 입자의 질량을 나 타내고, L은 무한대의 potential energy 값을 가지는 벽 사이의 공간의 길이이다. (c) 상자 속 입자 모델을 적용할 수 있는 가장 대표적인 예시에는 파이-컨쥬게이션 시스템 의 파이-전자가 있습니다. 파이 컨쥬게이션이 란 무엇인지 적절한 그림과 함께 설명하세요.파이 컨쥬게이션이란 서로 곂쳐져 연결되어 있는 porbital에 delocalized된 전자가 존재하는 system이다. 탄소끼리의 single bond와 double bond가 번갈아 존 재하는 분자에서 보통 형성된다. 1,3-butadiene의 경 우 4개의 p-orbital이 서로 곂쳐져 있는 conjugation이 되어 파이-컨쥬게이션 시스템을 이루고 있고(Figure 1A), 안정한 상태에서 해당 분자의 4개의 molecular orbital(MO) 중 에너지 준위가 낮은 ψ1과 ψ2에 파이 전자 4개가 존재하게 된다(Figure 1B).
I. Abstract지시약은 정해진 변색 범위에서 pH에 따라 색이 달라지는 물질로, 미지 용액의 pH를 육안으 로 쉽게 확인하게 해준다. 약산인 지시약 중 대표적인 것은 BPB(Bromophenol Blue)가 있고 이는 pH 3.0이하에서는 노란색, pH 4.6이상에서는 파란색을 띈다. 본 실험에서는 분광광도계를 이용해 농도를 아는 BPB 용액의 최대흡수파장에서의 흡광도를 측정해 Beer-Lambert 법칙을 검증해 보았 고, BPB의 농도와 최대흡수파장(450nm)에서의 흡광도가 강한 선형관계에 있음(R-square: 0.997)을 확인하였다. 이후 Beer-Lambert 법칙을 통해 BPB의 변색범위에서의 [HInd]와 [Ind-]를 계산한 후 Henderson-Hasselbalch 식을 이용해 [HInd]와 [Ind-]가 이론상 값이 같아지는 pH를 구해 BPB의 pKa를 구하였다. [HInd]의 흡광도를 통해 구한 BPB의 pKa는 4.259였고, [Ind-]의 흡광도를 통해 구 한 pKa는 4.025였는데, 이에 음수를 취하고 10의 지수로 취하면 Ka 값이 각각 5.511 * 10-5, 9.436 * 10-6이었다. 실제 BPB의 Ka의 문헌 값인 1.15 x 10-4(pKa = 3.94)과 비교하면, 각각 Ka 문헌값에 비해 약 52%와 18% 작은 수치였다. 이를 통해 실험적으로 구한 BPB의 pKa 값과 문헌값에 오차 가 발생한다는 것을 확인하였고 오차가 발생하는 원인을 고찰해 보았다.II. Introduction산과 염기는 용액의 pH를 결정하는 중요한 요인 중 하나이다. 산과 염기는 아레니우스 정의와 브 뢴스테드-로우리 정의, 그리고 루이스 정의로 정의될 수 있다. 아레니우스 정의의 경우 수용액에 서 수소이온을 내면 산, 그리고 수산화이온을 내면 염기라고 정의를 내리고, 브뢴스테드-로우리 정의에서는 수소이온을 제공하면 산, 그리고 수소이온을 받아들이면 염기라고 정의를 내린다. 루 이스 정의의 경우 비공유 전자쌍을 받으면 산, 비공유 전자쌍을 제공하면 염기라고 정의를 내린 다[1].
#1. 1차 표준물질의 조건먼저 1차 표준물질이란 용액으로 제조할 경우 용질 무게 측량 시 오차가 매우 작아 예측 된 농도와 거의 동일한 농도의 용액을 제조할 수 있는 물질이다. 대표적으로 이번 실험에서 표준 화에 사용한 KHP(Potassium hydrogen phthalate) 등이 1차 표준물질이다. 이러한 1차 표준 물질 될 수 있는 물질의 조건은 다음과 같다. 먼저 공기 중 수증기를 잘 흡수하지 않고, 풍화되지 않으 며 공기에 의해 산화되지 않는 등 오랜 시간이 지나더라도 물질 그대로 유지가 잘 되는 성질을 가져야 한다. 예를 들어 적정에 사용되는 NaOH의 경우 수증기와 반응하여 용해되어 버리는 조해 성을 가지기 때문에 무게 측량에 어려움이 있어 1차 표준물질로서 적합하지 않다. 또한 용매에 용해될 때 용해 과정이 정량적으로 진행되어야 하며, 당량 중량이 비교적 커서 측량 시 오차를 줄일 수 있어야 한다. 마지막으로 불순물의 무게를 포함하지 않기 위해 물질의 정제과정이 비교 적 쉬워야 한다는 조건이 있다.#2-1. 이번 실험에서 정상 크로마토그래피를 사용하지 않은 까닭이번 실험에서는 살리실산과 아세트산을 크로마토그래피를 통해 분리하였는데 이때 정상 크로마토그래피보다 역상 크로마토그래피가 더 유리하여 정상 크로마토그래피를 사용하지 않았다. 살리실산과 아세트산은 모두 극성 물질이지만 분자구조의 차이로 인해 극성에 약간의 차이를 갖 는다. 즉 극성 차이를 조금 갖는 두 극성 물질을 효과적으로 분리하는 것이 필요한 데, 만약 정상 크로마토그래피를 사용하는 경우 고정상이 이동상보다 극성이 커서 살리실산과 아세트산은 모두 전개의 속도가 느릴 것이고 두 물질의 효과적인 분리가 어려울 수 있다. 반면, 역상 크로마토그래 피를 사용하는 경우 고정상보다 이동상의 극성이 커서 분리하고자 하는 두 극성물질의 전개가 빠 를 것이고 적절한 극성을 갖는 이동상을 채택한다면 두 미세한 극성 차이 활용을 극대화해 두 물 질을 분리할 있을 것이다. 따라서 미세한 극성 차이를 갖는 살리실산과 아세트산을 분리해야 하 는 본 실험에서는 역상 크로마토그래피를 활용하는 것이 더 유리하다.