1. 분자간 힘과 물질의 상태 물질은 고체, 액체, 기체의 세 가지 상태, 또는 상으로 존재할 수 있다. 기체 상태에서는 분자 사이의 간격이 크고, 입자 간 비접촉 상태로 무인력, 무질서 운동 상태이다. 액체 상태에서 입자들은 기체일 때보다 가깝게 접촉하며 약간의 인력을 가지고, 유동적인 양태를 보인다. 고체 상태에서는 입자들이 매우 가깝게 접촉해 있으며 강한 인력을 갖고 있어 견고함을 보인다. 일반적으로 같은 물질의 고체는 액체보다 밀도가 큰 것이 특징이다. 예외로 물은 고체 상인 얼음의 밀도가 액체인 물의 밀도보다 작은데, 이것은 물 분자 사이의 수소결합 때문이다. 이 이유로 얼음은 고체임에도 불구하고 밀도가 액체보다 작아 물 위에 뜨는 현상을 관찰할 수 있는 것이다. 예로 든 물을 더 살펴보자면, 얼음과 물, 수증기 모두 물 분자로 이루어진 것으로 물 분자 자체에는 변화가 없다. 즉 상태 변화가 일어날 때 분자 자체는 변하지 않고 단지 분자 사이의 간격이 달라지는 것이다. 기체는 분자 사이 간격이 크고 응죽상이라 하는 액체나 고체는 작다. 응축상에서 분자 상태를 가깝게 하는 근원은 분자 사이의 힘에 있다. 1) 쌍극자쌍극자 힘 - 두 극성분자가 가까이 접근할 때 그 쌍극자 사이의 정전기적 인력에 의해 일어나는 상호작용이다. 이 작용은 분자간 힘의 중요한 요소이다. 한편, 온도가 높아져서 분자의 회전이 빨라지면 상호작용의 크기가 작아지고 분자간 힘도 약해지게 된다. 예를 들면 쌍극자인 물의 음으로 하전된 끝 부분은 양이온을 끌어 당긴다. 전기적 인력 때문에 서로 근접한 것을 잡아서 모인 다른 전하의 분자들은 이들이 상호작용을 하지 않을 만큼의 낮은 에너지를 갖는다. 낮은 상태의 에너지는 보다 안정된 체계를 만든다. 이러한 쌍극자쌍극자 상호작용은 발생한 에너지의 양에 의하여 반응하는 물 분자와 비슷하다.
[5] 결정장 갈라짐 에너지와 분광화학적 계열 3. 실험 목적 여러 전이 금속 착화합물의 흡수 스펙트럼을 얻고 분석하여, 착화합물에 대한 결정장 이론과 분광화학적계열을 이해한다. 4. 실험 원리 1) 물질, 빛의 색 바닥상태(ground state)에 있는 물질은 빛을 흡수하여 들뜬 상태(excited state)로 전이할 수 있는데, 이때 흡수한 빛이 가시광선이면, 물질은 색을 띠게 된다. 또한 물질이 흡수한 빛의 색(파장)과 위 눈에 보이는 물질의 색(파장)은 서로 보색 관계에 있다. 2) 결정장 이론(crystal field theory) 어떤 원자에서 5개의 d오비탈은 에너지 준위가 같아 5중 축퇴(degenerate)되어 있는 상태이다. 그러나 엄밀한 의미에서 이러한 축퇴는 하나의 원자(단원자 이온)가 홀로 존재할 때 발생한다. 이렇게 주변에 아무것도 없는 하나의 원자를 자유 원자(free atom)라고 한다. 그러나 우리가 보는 대부분의 물질에서 자유 원자 상태로 있는 경우는 거의 없으며, 주변에 다른 원자가 존재한다. 따라서 원자의 성격은 주변의 영향을 받게 된다. 원자의 d오비탈도 주변의 영향을 받아, 축퇴되어 있는 상태가 깨어지게 된다. 6배위 팔면체 착화합물은 중심 금속 주위에 6개의 리간드가 결합되어 있는 구조를 가지고 있다. 착화합물에서금속 원자와 리간드는 리간드의 고립 전자쌍을 공유하는 배위 공유 결합을 하므로, 금속의 d 오비탈에 있는 전자는 고립 전자쌍의 음전하와 정전기적으로 반발을 하게 된다. (리간드는 음전하를 띤다고 가정한다.) 그림은 5개의 d 오비탈과 음전하로 표시된 고립 전자쌍의 상대적인 위치를 나타낸 것이다. 그림에서 오비탈과 오비탈은 같은 모양이나 배향되어 있는 방향이 달라 오비탈이 음전하와 더 가깝다. 따라서 오비탈은 오비탈보다 음전하와 더 크게 반발한다. 또한 음전하와 , , 각 오비탈 사이의반발력은 모두 같다. 그리고 오비탈과 음전하 사이의 반발력은 오비탈의 경우와 같다. 따라서 d 오비탈과 리간드 고립 전자ield splitting energy, ∆) : 와 사이의 에너지 준위 차이. ☞ 구형 결정장에서의 d 오비탈과 팔면체 결정장에서의 와 오비탈 사이의 에너지 준위 차이는 각각0.6∆, 0.4∆이다. 3) 전이 금속 착화합물의 색 일반적으로 전자가 꽉 차있는 안쪽의 오비탈은 물질의 특성에 별다른 영향을 주지 않아, 많은 경우에 물질의 성격은 가장 바깥에 있는 오비탈의 전자에 의해 결정된다. 팔면체 배위 구조를 갖는 에서 이온의 d 오비탈 전자 3개는 그림 25-3처럼 오비탈에 배치된다. 에서 결정장 갈라짐 에너지(∆)는 가시광선 영역에 속해 있으므로, 에 ∆만큼의 에너지를 가진 가시광선을 비추면 오비탈에 있는 전자가오비탈로 전이하면서 빛을 흡수한다. 그 결과 는 흡수한 빛의 보색인 적갈색으로 보이게 된다. 리간드의 분광화학적 계열(spectrochemical series of ligands) 결정장 갈라짐 에너지는 착화합물을 형성하는 리간드의 영향을 받는다. 따라서 같은 배위 구조와 중심 금속 이온을 가진 착화합물이라도 리간드에 따라 ∆의 크기가 다르기 때문에 착화합물의 색도 달라진다. ∆의 크기에따른 리간드의 순서를 리간드의 분광화학적 계열이라 한다. 금속의 분광화학적 계열(spectrochemical series of metals) 결정장 갈라짐 에너지는 중심 금속 이온의 영향도 받는다. 따라서 같은 배위 구조와 리간드를 가지고 있더라도금속 이온의 종류에 따라 ∆의 크기가 다르고 착화합물의 색도 달라진다. ∆의 크기에 따른 금속 이온의 순서를 금속의 분광화학적 계열이라고 한다. 결정장 갈라짐이 클수록 가장 강하게 흡수되는 빛의 진동수는 커지며, 파장은 짧아진다. 이러한 전이 금속 착물의 특징을 분광학적으로 측정함으로써 작은 결정장 갈라짐 에너지를 일으키는 리간드로부터 큰 결정장 갈라짐을일으키는 리간드까지의 순위를 결정할 수 있고 이 순서를 분광학적 계열이라 한다. A = εbc = -log(I/I0) ε : 빛을 흡수한 분자의 몰흡광 rate Molecular formula : Molar mass : 400.21 g/mol Density : 1.85 g/cm3 Melting point : 54.8℃ Boiling Point : 100℃ Caution : P273 : 환경으로 배출하지 마시오. P391 : 누출물을 모으시오. P501 : (관련 법규에 명시된 내용에 따라) 내용물 용기를 폐기하시오 Chromium chloride hexahydrate Molecular formula : Molar mass : 266.45 g/mol Density : 1.760 g/cm3 Melting point : 83℃ Boiling Point : 1300℃ Caution : 피부에 묻으면 다량의 물/(...)로씻으시오. P304+P340 : 흡입하면 신선한 공기가 있는 곳으로옮기고 호흡하기 쉬운 자세로 안정을 취하시오. 333+P313 : 피부자극성 또는 홍반이 나타나면 의학적인 조치·조언을 구하시오. P342+P311 : 호흡기 증상이 나타나면의료기관(의사)의 진찰을 받으시오. Distilled water Molecular formula : H2O Molar mass : 18.01528 g/mol Density : 1 g/cm3 (4℃) Melting point : 0℃ Boiling Point : 100℃ Caution : N/A 2) Instrument & Apparatus (기구 및 초자) Volumetric flask, Ruler, Pasteur pipette & bulb, Cuvette, Heat gun, UV spectrometer, Kimtech 6. 실험 방법 (1) 실험 준비. 흡수 분광기 ① 책의 앞 부분에 있는 ‘화학 실험실에서의 기본 3. 기기 및 기구 사용법’ 에 있는 흡수 분광기 사용법을 읽고 사용법을 익힌다. ① UV/Vis 흡수 분광기를 켜고, 30분 정도 예열한다. 예열하는 도중 cuvette 홀더가 비어 있고 뚜껑이 제대 로 닫혀 있는지 확인한다. ② Wavelength 을 설정한 뒤, 열기를 누르고 프로그램 상에서 볼 sample name도 같은 이름으로 설정한다. ⑦ 측정이 완료되면
[4] 킬레이트 화합물의 합성1. 이름 :2. 실험 날짜 :3. 실험 목적킬레이트 효과를 이용하여 아세틸아세토네이트산 이온으로부터 킬레이트 화합물을 만들고, 착화합물의 일반적인 성격에 대하여 알아본다.4. 실험 원리1. 화학결합화학 결합이란 광물을 구성하는 원자들이 하나의 집합체를 형성할 수 있도록 해주는 원자들 사이에 작용하는 힘 또는 그 결합 자체를 뜻한다. 원자 간의 상호작용 양상에 따라 강한 결합 (strong chemical bonding)과 극성을 띄는 원자 또는 분자 사이에 작용하는 상대적으로 약한 결합력에 의한 결합으로 나눌 수 있다. 원자간 강한 결합은 결합 방식에 따라 편의상 이온, 공유, 그리고 금속 결합으로 구분한다.1) 이온 결합서로 다른 극성의 양이온과 음이온이 정전기적 인력에 결합하는 것을 이온 결합이라 한다. 결정 내부에서는 양이온 주위를 여러 개의 음이온이 둘러싸고 있는데, 대표적인 예로서 염화나트륨 (NaCl)이 있다. 염화나트륨의 경우, Na 원자의 최외각 전자가 Cl 원자의 최외각 전자 궤도로 이동하며 각각의 원자가 양이온 (Na+)과 음이온 (Cl-)이 되어 정전기적 인력이 작용하게 된다. 이와 같은 방식의 이온 결합의 세기는 공유결합보다는 약하고 반데르발스 결합보다는 강하다. 실제 화학 결합이 이루어질 때는 한 가지의 결합 특성만 갖는 것이 아니라 공유 결합과 이온 결합의 성질을 함께 갖는다.2) 공유 결합두 개의 원자가 외각 전자 퀘도에 존재하는 전자를 공유하며 공유 전자쌍을 형성하고, 이를 통하여 불완전한 최외각 전자 오비탈을 안정하게 채우며 화학 결합을 형성할 수 있다. 이를 공유 결합이라 하며, 대다수의 유기 및 무기 화합물에서 나타난다. 공유되어 있는 전자쌍을 결합 전자쌍(bonding pair)이라고 하고, 결합하는데 쓰이고 남아 결합에 참여하지 않는 전자쌍을 고립 전자쌍(lone pair)이라고 한다. 이렇게 공유결합을 통해 형성된 화합물을 공유결합 화합물(covalent compound)라고 한다. 공유 결n chemistry)에서 중심 HYPERLINK "https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5827573&ref=y" 금속원자에 결합하여 배위 착화합물(coordination complex)을 형성하는 HYPERLINK "https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5662734&ref=y" 이온 또는 분자를 뜻한다. 이때 금속과의 결합은 일반적으로 하나 이상의 리간드로부터 전자쌍을 제공받아 이루어진다. 금속-리간드 결합의 특성은 HYPERLINK "https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5662835&ref=y" 공유 결합에서 HYPERLINK "https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5662948&ref=y" 이온 결합까지 다양하며 그 결합 차수(bond order)는 일반적으로 1~3의 범위이다. 매우 드물게 HYPERLINK "https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5663131&ref=y" 루이스 산(Lewis acid)의 특성을 갖는 리간드도 알려져 있지만, 대부분 루이스 염기(Lewis base)이다. 착화합물에 결합된 리간드의 종류에 따라 리간드 치환(ligand substitution) 반응, 리간드 자체 반응, 산화환원(redox)을 포함하여 중심 원자의 반응성이 결정된다. 리간드는 생무기(bioinorganic), 의약 화학(medicinal chemistry), 균일 촉매(homogeneous catalysis), 및 환경 화학(environmental chemistry) 등의 영역 특성에 알맞게 선택해야 한다. 리간드는 전하, 크기, 결합에 참여한 원자의 종류, 금속에 전달된 전자의 개수 등 여러 가지 방법으로 분류할 수 있으며, 리간드의 원추 각(cone angle)으로 표시되기도 한다.여러 자리 리간드를 킬레이트 리간드라고 한다. 사이안화 이온은따라서 킬레이트 리간드가 반응 할 때 ∆S°는 더 큰 양의 값을 가질 것이다. 결국 두 반응 사이에 반응 엔탈피 차이는 크지 않지만, ∆G°은 킬레이트 반응에서 음으로 더 큰 값이 되어 평형 상수가 크다.킬레이트 리간드가 한자리 리간드를 가지고 있는 착화합물과 반응하면 항상 계의 엔트로피가 증가하여,금속-킬레이트 착화합물이 매우 잘 생성된다. 이러한 효과를 킬레이트 효과(chelate effect)라고 한다.5. 킬레이트 화합물의 합성이번 실험에서는 위에서 알아본 킬레이트 효과를 이용하여 Cr(acac)3와 Fe(acac)3를 합성할 것이다. 아세틸아세톤은 약염기 조건에서 수소이온(H+)을 잃고 아세틸아세토네이트산 이온이 된다. Acac는 세개의 공명구조를 가지는 안정한 화합물로서, 두개의 산소 원자를 통해 금속에 배위하는 두자리 리간드이다. 따라서 acac는 킬레이트 효과에 의해 금속과 반응하여 쉽게 킬레이트화합물을 만든다.5. 시약 및 기구1) ReagentChemical namePropertiesStructureSodium acetate trihydrateMolecular formula :Molar mass : 136.08 g/molDensity : 1.45 g/cm3 (20 °C)Melting point : 58℃Boiling Point : 122℃Caution : 열, 스파크, 화염에 의해 점화할 수 있음가열시 용기가 폭발할 수 있음, 일부는 탈 수 있으나 쉽게 점화하지 않음, 화재시 자극성, 독성 가스를 발생할 수 있음, 물질의 흡입은 유해할 수 있음,MethanolMolecular formula :Molar mass : 32.05 g/molDensity : 0.792 g/cm3Melting point : -97.6℃Boiling Point : 64.7℃Caution : 고인화성 액체 및 증기, 삼키면 유독함, 피부와 접촉하면 유독함, 눈에 심한 자극을 일으킴, 흡입하면 유독함, 신체 중 중추신경, 시신경에 손상을 일으킴, 장기간 또는 반복노출 되면er, Chemical balance, Labeling paper6. 실험 방법실험 B. Fe(acac)3 의 합성 (실험 B 만 진행)① 10 mL 시험관에 Fe(NO3)3∙9H2O 0.65 g을 넣고 증류수 4 mL를 넣고 흔들어 Fe(NO3)3∙9H2O를 모두 녹인다.② 다른 10 mL 시험관에 아세틸아세톤 0.5 mL 와 메탄올 4 mL 를 넣고 흔들어 잘 섞는다.③ 또 다른 10 mL 시험관에 sodium acetate trihydrate (CH3COONa∙3H2O) 0.65 g 과 증류수 4 mL 를 넣고 흔들어 CH3COONa∙3H2O를모두 녹인다.④ 50 mL Erlenmeyer flask에 ①, ②, ③의 용액을 순서대로 넣어 섞은 후, 50~60℃에서 물중탕으로 5분 정도 가열 교반한다. 메탄올은 쉽게 증발하므로 용액이 줄어드는 것을 관찰할 수 있을 것이다.⑤ Flask를 상온에서 식힌다. Flask의 온도가 어느 정도 내려가면 flask를 얼음 그릇에 넣고 빨리 식히면 좋다. 빨간색 결정이 형성되는것을 관찰할 수 있을 것이다.⑥ 감압 장치와 Büchner funnel을 연결하고 filter paper 위에 부어 결정을 거른다. 이때 filter paper 위에 있는 결정을 증류수로 씻는다.⑦ 결정을 공기 중에서 말린다.⑧ 얻은 결정의 질량을 측정하고 수득률을 계산한다.7. 결과1) 실험 B. Fe(acac)3의 합성- 의 질량 : 0.6501 g- 의 몰질량 : 404.00 g/mol- 의 몰수 : mol- 아세틸아세톤의 부피 : 0.51 mL- 아세틸아세톤의 밀도 : 0.975 g/mL- 아세틸아세톤의 질량 : 0.51 mL 0.975 g/mL = 0.50 g- 아세틸아세톤의 몰질량 : 100.117 g/mol- 아세틸아세톤의 몰수 : = 5.00 mol- ∙의 질량 : 0.6511 g- ∙의 몰질량 : 136.08 g/mol- ∙의 몰수 : = 4.78 mol- 의 이론적 수득 몰수 : mol+ 5.00 acacH- 의 몰질량 : 353크기 때문이다. Fe(NO3)3가 자연상태에서 Fe(NO3)3 ∙9H2O의 형태로 가장 많이 발견되는 것도 비슷한 맥락이다.(4) 나의 실험에 대한 disscussion 및 오차의 이유- 실험에서 구한 의 수득률은 69.52%로 꽤 큰 오차가 발생하였다. 수득률이 낮게 나온 이유 중 하나는 결정을 거르고 filter paper 위에서 증류수로 결정을 씻는 과정에서 결정의 손실이 있었을 수 있다. 증류수로 기구에 묻은 결정들을 미처 다 씻어내리지 못하였을 수도 있고, 증류수에 녹아버린 결정도 존재할 수 있을 것이다. 이 외에도 시료를 측정하는 데에 있어 발생하는 오차 또는, weighing paper를 통해 시료를 옮기는 과정에서 생기는 시료의 손실이 있었을 수 있다.9. 참고문헌이홍인. (2014). 일반화학실험 (제1판6쇄) 발행지: 자유아카데미. p257-p271wikipedia. Sodium acetate trihydrate. 2020.09.30. HYPERLINK "https://en.wikipedia.org/wiki/Sodium_acetate" https://en.wikipedia.org/wiki/Sodium_acetatewikipedia. Methanol. 2020.09.30. HYPERLINK "https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%A9%94%ED%83%84%EC%98%AC" https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%A9%94%ED%83%84%EC%98%ACwikipedia. Iron nitrate nonahydrate. 2020.09.30. HYPERLINK "https://en.wikipedia.org/wiki/Iron(III)_nitrate" https://en.wikipedia.org/wiki/Iron(III)_nitratewikipedia. Acetylacetone. 2020.09.30. HYPERLINK "https://en.wikipedia.org/wiki/Acetylacetone" https보고서
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