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산화티타늄 광촉매에 의한 분자분해 실험 예비보고서

1. 실험제목산화티타늄 광촉매에 의한 분자분해2. 날짜, 시간3. 이름, 공동실험자4. 실험목적넓은 띠 간격 반도체의 광촉매적 역할을 이해하고, 산화티타늄 콜로이드를 광촉매로 유해한 염료분자인 malachite green을 분해할 때 그 과정을 가시광선 흡수 스펙트럼이 사라지는 것을 관찰하면서 광분해 반응을 관찰 한다.5. 실험원리촉매(catalyst)란 자신은 변화하지 않으면서 다른 물질의 화학반응을 촉진 또는 지연시키는 것으로, 광촉매는 촉매의 한 종류로서 빛을 에너지원으로 하여 촉매반응이 일어나게하여 각종세균 및 오염 물질을 분해시켜주는 물질을 말한다. 그 종류로는 금속산화물인 TiO2, ZnO, Nb2O5, WO3 등과, 금속황화물인 Cds, ZnS , 금속착체인 [Ru(bpy)3]2+, Co착체, Rh착체 등이 있다. TiO2는 결정구조에 따라 루틸(Rutile)형, 아나타제(Anatase)형, 브루카이트 (Brookite)형이 있으며 그 성질에 따라 다양한 용도로 사용되고 있다.TiO2 광촉매는 , 지구상에 존재량이 많아 가격이 저렴하고 수급이 안정하며, 광촉매로서 내구성과 내마모성, 화학적 안정성이 우수하며, 광촉매 자체로는 무독물질이므로 공해에 대한 염려가 적다.광촉매는 밴드갭 이상의 파장(400nm이상)의 자외선을 받아 전자, 정공이 발생하여 주위의 산소와 수소 등과 반응하여 OH 라디칼을 생성하여 오염물질을 산화 분해시키는 원리이다.이러한 산화분해를 이용하여 유해물질 및 세균을 산화 분해하여 공기정화 및 수처리에 사용되기도 하며, 표면개질제어기술등으로 광여기 친수성 양친매, 초발수 발유재료 등에 사용된다,광촉매를 사용하였을 때, 외부에 노출되는 표면상에서 먼지나 오염물질이 제거되어 별도의 관리 없이 깨끗한 상태로 유지될 수 있으며, 친수성기로 유리나 거울에 적용시 성애가 끼지 않고 시야확보가 유리하여 대기정화, 도로표지판이나 전조등, 사이드밀러, 내외장재, 타일, 비닐하우스 온실 등 많은 곳에 사용된다.1) 광학적으로 활성이 있으면서 광부식이빛을 받아도 자신은 변화하지 않아 반영구적으로 사용할 수 있고 염소(Cl )나 오존(O )보다 산화력이 높아 살균력이 뛰어나며 모든 유기물을 이산화탄소와 물로 분해할 수 있는 증력을 갖고 있는 산화티탄(TiO )이 대표적인 광촉매 물질로 널리 사용한다TiO2 는 띠 간격이 약3.2eV에 달하는 넓은 띠 간격 반도체 부류에 속하여 360nm 이하의 파장을 잘 흡수한다. 흡수된 빛은 전도띠에 전자(electron)와 가전자 띠에 정공(hole)을 생성시켜, 이들은 주위의 흡착된 분자들에 산화환원 반응을 유발한다.광촉매로 쓰이는 산화티타늄은 빛에 의한 부식 없고, 인체에 무해 산, 염기 용매에서도 침식되지 않고 화학적으로 안정하다광촉매 TiO2는 TiO2의 band-gab energy에 해당하는 빛에너지(380nm 이하의 자외선)를 흡수했을 때, 분자 내에서 산화, 환원반응 및 친수성 반응이 동시에 가능한 고기능성의 광촉매로 VOCs 분해, 항균·살균, 탈취, 자정 작용(Self-Cleaning)등의 기능을 나타낸다.물질을 분해하는 현상으로 380nm이하의 자외선을 흡수했을 때 반응이 진행된다.이 반응은 30,000℃ 이상에서의 연소반응과 동일하지만 통상의 연소반응과는 다른 온도가 상승하지 않고, 실온의 상태에서 반응이 진행된다. 이런 반응에 의해 유해한 유기휘발성 화합물(VOCs), 세균, 바이러스의 산화분해 및 NOx, SOx 산화제거 효과를 나타낸다.빛이 산화티탄에 흡수되면 2개의 전자(e-)와 정공(h+) 캐리어가 생성된다. 정공 (h+) 의 산화에 의해 물은 산해분해력이 높은 하이드록시라디칼(?OH)을 생성하며, 전자 (e-)는 산소와 반응하여 superoxide radical (O2- ?)을 생성시킨 후 여러 반응경로에 의해 하이드록시라디칼(?OH)을 생성한다. 이 ?OH가 유기화합물이나 바이러스 등을 산화분해 한다.염료와 같은 유기물이 들어 있는 용액에서는 위와 같이 생성된 OH 라디칼이 그 유기물과 반응할 것이다. TiO2를 광촉매로 하여 아세트산, en은 일종의 triphenylmethane 계의 양이온성 염료로서 여러 가지 음이온과 결합한 염의 형태의 분말이다. 이 실험에 사용하는 malachite green은 옥살산 이온과 결합하여 이합체의 형태를 띤 malachite green oxalate(F.W.= 927.03g/2몰)으로서 그 구조와 자외선-가시광선 스펙트럼은 Figure 2와 같다. 특히, 610nm의 흡수 띠를 이 실험에서 추적할 것이다광촉매 TiO2재료의 고유한 bandgab energy(Eg)보다 큰 energy를 받게 되면, valence band(가전자대)의 전자(e-)가 excite 되어 conduction band(전도대)로 전이되고, valence band에는 정공(h+)이 생성되어 표면으로 이동 후 OH radical(?OH) 및 superoxide radical(O2- ?)이 생성된다.◎ 광촉매 상에서 일어나는 대표적 반응에 산화환원반응과 표면 친수화반응이 있다.(1) 산화환원반응광촉매 반응은 일반적인 촉매반응, 즉 dark reaction에 비해 보다 낮은 온도에서 일어나며 이에 따라 생성물의 종류나 선택도가 변하게 된다. 일반적인 광촉매반응은 다음과 같은 과정을 통하여 이루어진다.① 광에 의한 촉매의 활성화(정공과 전자의 생성)② 반응물이 주반응 흐름에서 벗어나 촉매표면으로 확산(외부확산)③ 생성된 정공이 촉매내부에서 촉매 표면으로 확산(내부확산)과 동시에 생성된 전 자가 촉매 내부에서 금속쪽으로 확산(내부확산)④ 정공과 반응물이 반응(환원형 → 산화형)됨과 동시에 전자와 반응물이 반응(산 화형→환원형)⑤ 생성물이 촉매 표면에서 주반응흐름으로 확산(외부확산)이때, 정공과 전자의 생성량 및 속도는 광원의 위치, 광반응기의 종류, 광의 조 사량, 반도체의 종류, 촉매의 농도 및 입자의 크기와 관계가 있다. 그리고 반응 물과 정공 및 전자와의 반응은 촉매의 종류, 활성점의 종류와 수, 그리고 온도 와 pH의 영향을 받는다.정리하면 정공과 전자의 반응은 광촉매반응에서 매우 중요는데 사용된 것이다. 그리고 반응에 사용된 반도체는 변화하지 않은 상태로 있게 된다.2>반응은 반도체 자신이 반응의 진행에 따라 변화를 일으키게 되는 경우로서, 실제로 CdS와 같은 황화물계 반도체는 빛의 조사에 의하여 수용액 중에서 쉽게 광 부식을 일으키게 된다.3>반응은 생성된 정공과 전자가 광촉매반응에 참여하지 않고 직접 재결합한 경우로서 공간전하층 내에 전자 띠의 굽음이 존재하게 되면 생성된 정공과 전자가 서로 반대방향으로 움직이게 됨으로써 3>반응과 같은 재결합을 방지하는 효과를 거둘 수 있다. 이에 따라 생성된 정공이나 전자가 촉매반응에 참여할 수 있는 가능성이 커지므로, 이와 같은 현상은 불균일계 반응에 있어서 중요한 요소라 할 수 있다.(2)표면 친수화 반응친수화란 재료의 표면에 물이 잘 어울려서 재료의 표면에 넓게 퍼지는 현상이다. 산화티탄은 물체와 물의 접촉각을 5도 이하로 형성하게 하므로, 산화티탄을 코팅한 재료의 표면에 자외선이 조사되면 물이 완전하게 표면에 퍼져 버리는 초친수성 현상을 나타내며, 이 특성에 의해 산화티탄을 코팅한 재료의 표면에 물이 닿게 되면, 더러움이 간단히 씻겨져 버리므로 세척비용을 절감, 김서림 및 시야의 왜곡현상을 방지할 수 있다.유기오염물질 분해: 광촉매는 염소나 오존 등에 의한 정화 방법으로 분해하기 어려운 유해 유기 오염물질을 완전히 분해하여 무해화가 가능한 강한 산화력을 갖고 있다. 따라서 미량이지만 환경에 큰 영향을 미치는 환경 호로몬이나 수질, 토양의 유기오염물질의 무해한 물질로의 분해, 제거에 유효하다.·대기오염물질 분해: 자동차 배기가스, 소각로, 발전소 등에서 배출되어 대기오염 의 원인이 되는 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), Dioxine 등유해 악취가스 분해? 유해 VOCs: 아세트알데히드, 포름알데히드, 카시린, 톨루엔, 스틸렌 등? 악취 가스: 황화수소, 메틸메루카프탄, 유화메틸, 트리메틸아민, 이소길초산, 암모니아 등? 기타 탈취가 요구되는 냄새(담배냄새 등)·자정(Self-Clea 도로자재, 터널조명등 및 옥외조명등, 간판 등)·항균?살균 기능: 광산화분해 반응에 의한 기능의 일종으로 광촉매 TiO2에 태양등의 자외선이 닿으면 표면에 강한 산화력이 생겨 표면의 박테리아, 세균을 죽이게 된다. 이런 강한 산화력은 항균, 살균 뿐만 아니라 세균의 잔해 및 독소까지 분해하므로 은(Ag)이나 구리(Cu)등의 다른 항균제에는 없는 다양하고 우수한 특성을 나타낸다. (적용분야 : 병원, 주방 및 각종 위생기기 등)광 조사 하에서표면에 대기 중의 물 분자가 접근을 하면 물리적 흡착상태로 된다. 이때 전자쌍 반발의 원리에 의해 수소 원자가 산소원자의 중심에 위치하게 되고 이러한 구조 위에 대기 중의 또 다른 물 분자가 접근하여 수소결합을 일으키며 결합하게 된다. 이러한 메커니즘에 의해 광촉매가 친수성을 띄게 된다.- 투광도(transmittance, T) : T=P/Po 원래의 쪼여준 빛과 시료를 통과한 빛의 분 율로서 정의- 흡광도(absorbance, A) : A=-logT- 흡광도가 중요한 이유 : 시료 중에 함유되어 있는 빛을 흡수하는 화학종의 농도 에 정비례하기 때문- 시료의 농도(c) 는 리터당 몰 수(M)의 단위- 빛의 통로의 길이 b는 cm로 표시- 몰흡광 계수 (molar absorptivity, ε) : 특정파장의 빛을 얼마만큼 흡수하였는 가를 나타내는 물질의 특성 -단위는 M-1·cm -1 (εbc의 곱은 단위가 없어야 하 기 때문에 흡광도 A는 무단위임)- A와 ε 의 값은 파장에 의존하기 때문에 Aλ = εbc 라는 식으로 표시 가능- ε은 흡광도 와 bc곱 사이의 단순한 비례상수이다 . 즉 , ε값이 클수록 A는 커 진다.- 흡수스펙트럼이란 A(또 는 ε )가 파장에 따라 어떻게 변하는가를 나타낸 그래 프. 시료의 흡광도가 흡수화학종의 농도에 정비례 한다는 것을 의미.- 시료를 통과하는 빛의 분율(투광도)은 시료의 농도와 직선적으로 비례하지 않고 대수관계에 있음.< Beer의 법칙이 맞지 않는 경우 >- Beer의 법칙은 대킨다.

자연과학| 2012.05.05| 13페이지| 1,500원| 조회(477)

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컨쥬게이션 염료 흡수 스펙트럼 실험 예비보고서

1. 실험제목① Conjugation의 염료의 흡수 스펙트럼② 눈금자를 이용한 회절 실험2. 날짜, 시간3. 이름, 공동실험자4. 실험목적· 가시광선 분광기의 기본원리 및 사용법을 익힌다.· Conjugation의 특징을 이해한다.· 자유 전자 모델과 전자 전이에 대한 지식을 이해한다.· 빛의 회절을 관찰, 측정.· 회절을 응용하는 XRD의 간단한 이해5. 실험원리1) 분광법모든 분자들은 일반적으로 특정한 에너지 준위차 |Ef-Ei|를 갖는데 만약 바깥에서 빛을 쬐어 주면 그 빛의 에너지가 분자의 에너지 준위차 |Ef-Ei|와 같을 때 에너지 전이가 일어나면서 빛을 흡수(혹은 방출)하게 된다.어떤 분자에 대해서 흡수 (혹은 방출) 되는 빛의 파장을 조사함으로써 분자가 가지고 있는 에너지 준위에 대해 알아보는 학문 분야를 분광학이라고 한다.빛 에너지(스펙트럼 영역)에너지 전이x-선결합끊음자외선-가시광선(UV-VIS)전자이동적외선(IR)진동마이크로파(microwave)회전라디오파(radio frequency)핵스핀,전자스핀2) UV-VIS 분광법UV-VIS 영역에서 어떤 분자가 바닥상태로부터 높은 들뜬 전자상태로 전이될 때 스펙트럼의 흡수띠를 보고 분자의 에너지 준위를 알아보는 방법이다. UV-VIS 스펙트럼은 보통 아주 간단하고 단지 하나의 봉우리만이 보인다. 그러나 이 봉우리는 대개 폭이 넓고, 봉우리의 가장 높은 곳에서 파장()을 보아서 위치를 확인한다.그림1. UV-VIS spectrum3) Conjugation각 탄소의 p 오비탈이 겹치게 되어 단일결합과 다중결합이 교대로 존재하여 사슬 모양의 π결합을 형성하게 된다. 이러한 현상을 conjugation이라고 한다.그림2. 컨쥬게이션자외선(hv)을 쪼여주면, 1,3-butadiene은 에너지를 흡수하고전자는 HOMO로부터 LUMO로 들뜨게 된다. 이와 같이 전자가 결합성분자 궤도함수로부터 반결합성분자 궤도함수로 들뜨기 때문에들뜸이라고 부른다.컨쥬게이션 분자에서전이에 영향을 주는데 필요한 정확한 파장은 분자터 최저 비점유 분자궤도함수로(LUMO)로 들뜨게 되는 것이다(그림3).1,3-butadiene의 HOMO 와 LUMO 사이의 에너지 차이는전자전이에 필요한 파장인 217nm의 자외선 빛과 같다.컨쥬게이션 분자에서전이에 영향을 주는데 필요한 정확한 파장은 분자 궤도함수(HOMO 와 LUMO)사이에 에너지 차에 의존한다. 분자 궤도함수 계산에 의하면 컨쥬게이션 정도가 증가할수록 HOMO 와 LUMO 사이의 에너지 차이가 감소한다.(그림4) 따라서 미지의 시료에 대한 자외선 스펙트럼으로부터, 시료에 존재하는 컨쥬게이션전자계의 성질에 대한 구조적인 정보를 얻을 수 있다.5) Schrodinger Equation 의 풀이질량 m을 가진 입자가 길이 L인 1차원의 상자 속에 갇혀있다라고 생각을 해보자그럼 이때 Schrodinger Equation 을 적어 보면이때 조건은: V(x)= 0 , 0 < x < L (상자 안에서)V(x)=, x0 or xL (상자 밖에서) 이 된다.1) 상자 밖에서는 potential energy가 무한대이므로particle이 존재 할 수 없다. 즉2) 상자 안에서는을 풀면 된다.이 식은 free particle의 경우와 같은 것이고, 경계조건(boundary condition)을 만족해야 한다.(즉,이어야 한다.)free particle과 같은 형식으로 위의 식을 풀어 가면(A와 B는 임의의 상수)의 해가 나온다.=coskx-isinkx 를 각 식에 대입을 해주면(C, D는 임의의 상수)경계조건을 만족해야 함으로①에서 D=0②에서(C가 0이 될 경우 식이 이루어 질 수 없다)n = 1, 2, 3,.. 이다.(여기서 양자화 확인 가능)따라서n = 1, 2, 3, ...에서따라서 π 전자계의 에너지준위는 위와 같은 값을 가지게 된다.6) 자유전자 모델컨쥬게이션 화합물의전자들은 사슬을 따라서 움직이는전자구름을 형성한다. 퍼텐셜 에너지는 사슬을 따라서 변함없이 일정하다가 각 끝에서 무한대로 급격히 증가한다고 가정할 수 있다 따라서전자계를 길이 L인알맹이와 같지 않아서 π전자계 안에서만 움직이는 것이 아니라 벗어날 수 있다.이때 α라는 매개변수를 이용해서 사슬의 길이L이 증가되는 것을 보정 할 수 있다.α의 범위는 0~1인데, 이유는 만약 벗어난 전자가 다른 탄소원자와 결합을 한다면 탄소원자의 결합이 5개가 되는 등 규칙에 어긋나게 된다. 따라서 벗어난 전자가 다른 탄소원자와 결합할 수 있는 거리까지는 가지 않고 그 전까지에만 갈 수 있게 되어서 α는 1을 넘지 못하게 된다.∴/nm=63.7[자유전자모델]7) 시아닌 염료헤테로 고리를 컨쥬게이션 결합을 가진 사슬로 결합한 구조를 가진 염료를 말한다. 시아닌 염료는 일반적으로 가시부의 빛을 흡수하는데, 광흡수가 일어나는 파장은 염료의 컨쥬게이션 사슬이 길수록 긴 파장으로 이행한다.이 실험에서 시아닌 염료를 사용하는 이유는 컨쥬게이션 결합을 이루는 사슬을 가지고 있기 때문이다. 실험에서 사용되는 폴리메타인 염료에는 1,1'-diethyl-4,4'-carbocyanine iodide, 1,1'-diethyl-2,2'-carbocyanine iodide, 3,3'-diethylthiadicarbocyanine iodide) 등이 있다.우리는 이 실험을 통해서전자계를 따라서 자유로이 이동하는 전자들이 흡수하는 에너지 영역에 해당하는 파장을 구하려고 한다. 따라서 가장 기본이 되는 개념이 바로전자계를 따라서 이동하는 자유 전자의 운동이다.1) 회절파동이 장애물 뒤쪽으로 돌아 들어가는 현상. 입자가 아닌 파동에서만 나타나는 성질이다.입자의 진행경로에 틈이 있는 장애물이 있으면 입자는 그 틈을 지나 직선으로 진행한다. 이와 달리 파동의 경우, 틈을 지나는 직선 경로뿐 아니라 그 주변의 일정 범위까지 돌아 들어간다. 이처럼 파동이 입자로서는 도저히 갈 수 없는 영역에 휘어져 도달하는 현상이 회절이다. 물결파를 좁은 틈으로 통과시켜 보면 회절을 쉽게 관찰할 수 있다.회절의 정도는 틈의 크기와 파장에 영향을 받는다. 틈의 크기에 비해 파장이 길수록 회절이 더 많이 일어난다.제1극대)을 만들 것이다. (b)에서는 슬릿 안의 제일 윗점과 제일 밑점을 지나는 빛들이 정확히 한 파장 λ만큼 차이가 나는 경우에는 슬릿의 중심을 지나는 빛과 밑점을 떠나는 빛과는 반-파장의 위상차이를 갖게 된다. 이 두 빛들은 정확히 반대의 위상(180도 차이)에 있으므로 소멸간섭을 일으키게 될 것이다. 똑같은 이치에 의하여 밑점에서 약간 떨어진 점을 출발하는 빛과 중심에서 약간 떨어진 점을 지나는 빛들도 서로 소멸간섭을 하게된다. 이렇게 하여 슬릿의 상반부를 지나는 빛들과 하반부를 지나는 빛들은 대칭적으로 서로 소멸간섭을 하게된다.[그림2] 회절무늬의 세기b sinθ= λ---------------(1) [제1 극소점](c)와 같이 슬릿의 밑점과 윗점의 경로차가 3λ/2 인 경우도 똑같은 설명에 의해b sinθ= 3λ/2 -----------(2) [제2 극대점](d)의 경우는 2차 극소점이 되고 따라서 극소가 일어나는 조건은 다음과 같다.b sinθ= n λ (n=1,2,…) ---(3) [극소]n=0인 경우는 극소가 아니라 가장 큰 극대가 된다.⑵ 영(Young)의 간섭실험 - (이중슬릿 : 회절판 코드 - D E F)토마스 영(Tomas Young)은 빛에 대한 간섭효과를 발견하여 빛의 파동설을 세웠다. 간섭이란 두 개의 파동이 서로 중첩되어 어떤 공간에 에너지가 균일하게 분포되지 않고, 어느 점에서는 극대가 되고 다른 점에서는 극소가 되는 현상을 말한다. 간섭을 일으키기 위해서는 두 개 이상의 파동이 같은 속도, 진동수, 파장 및 상대적 위상이 일정하게 유지되어야 한다.[그림3] 이중슬릿에 의한 빛의 간섭[그림3]에서와 같이 두 개의 슬릿 S1, S2에서 나온 빛의 간섭을 생각해 본다. 슬릿을 통과한 광선은 회절하여 두 개의 구면파가 서로 겹쳐서 진행한다. 입사광선이 단색광이면 이 두파가 스크린 위에 도달할 때(P) 그 위상차에 의하여 밝고 어두운 간섭무늬를 만들게 된다.dsinθ=nλ(n=0,1,2,…) -----------(3) [극대]dsin의 선을 가지는 격자들이 흔히 사용되고 있으며 빛의 파장을 정확히 측정하는데 사용되고 있다.[그림4] 다중슬릿에 의한 빛의 회절[그림4]에서 보는 바와 같이 평행광선이 회절격자에 입사된다고 가정하자. 또, 슬릿의 폭이 충분히 좁기 때문에 각각의 슬릿은 격자 뒤의 먼곳에 있는 스크린을 넓은 각도 범위에서 비춰주고 있다고 가정하여 간섭이 다른 모든 슬릿으로부터의 빛들과 일어난다고 하자. 각각의 슬릿에서 직진하는 (θ=0)빛들은 서로 보강 간섭을 일으켜 중앙에 밝은 반점을 만들게 된다. 인접한 슬릿들로부터 빛들의 광로차가 정확히 파장의 정수배 즉 , △ℓ=nλ(n은 정수)를 만족하는 값 θ에서도 보강간섭이 생긴다. (직관적으로 보면, 파동이 서로 정수배가 되지 않으면 서로 상쇄되어 어중간한 강도를 가질 것이다.)d sinθ= nλ (n=0,1,2,…)---------(5) [보강간섭]d sinθ= (n+1/2)λ (n=0,1,2,…) ---(6) [상쇄간섭]이 식을 격자공식이라 하고 n을 무늬의 차수(order)라고 부른다. 이것은 이중슬릿의 경우와 똑같다. 그러나 이중슬릿과 다중슬릿의 회절무늬 사이에는 중요한 차이가 있다. 슬릿의 수가 많아질수록 극대는 더 예리하고 더 좁다. 즉, 격자의 선의 수가 많으면 많을수록 극대값은 예리하게 되고 더욱 정확한 빛의 파장을 측정할 수 있다.위의 격자공식에서 θ가 90°를 넘을 수가 없으므로 가장 높은 차수는 nmax = d/λ로 표시되므로 격자공간, d가 좀더 큰 격자가 작은 격자보다는 더 많은 차수를 발생시킨다. 즉, 스크린 상에서 더 많은 무늬를 관찰할 수 있다.입사광이 빛의 여러가지 다른 파장을 포함한다면(백색광원의 경우) 이것을 다색성원이라 한다. 회절격자에 의해 각 파장은 각 차수내의 각에서 상을 형성하고 구성 성분 파장으로 분포시킴으로써 스펙트럼을 형성하게 될 것이다.2) 간섭호수에서 두 개의 물결이 만난다고 생각해 보자. 만나는 지점의 물결파의 높이는 두 물결파 각각의 높이를 더해서 얻은 결과와 같다. 파동의 중

자연과학| 2012.05.05| 15페이지| 1,500원| 조회(363)

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가시광선 분광기를 이용한 약산의 해리상수 결정 실험 예비보고서

1. 실험제목가시광선 분광기를 이용한 약산의 해리상수 결정2. 날짜, 시간3. 이름, 공동실험자4. 실험목적◆ Spectrum의 이해◆ Spectrum을 통하여 지시약의 해리상수를 측정5. 실험원리(1) 분광법모든 분자들은 일반적으로 특정한 진동 에너지 준위차 |Ef-Ei|, 회전에너지 준위, 전자 에너지 준위 등을 갖는다. 바깥에서 빛을 쬐어 주면 그 빛의 에너지가 어떤 에너지 준위차 |Ef-Ei|와 같을 때 전이가 일어나면서 빛을 흡수(혹은 방출)하게 된다.이렇듯 어떤 분자에 대해서 흡수 (혹은 방출) 되는 빛의 파장을 조사함으로써 분자가 가진 에너지 준위에 대해 알아보는 것을 분광학이라 한다.이번 실험에서는 흡수하는 에너지를 가시광선 분광계(UV-VIS)를 이용하여 측정하게 된다. 이러한 분광기의 원리는 빛을 파장별로 분해한 후 나눠진 빛을 시료에 통과 시키면서 시료가 흡수한 빛의 양을 검출하여 흡광도(혹은 투과도)로 나타내는 것이다. 이때 분광기의 성능은 빛을 얼마만큼 나눌 수 있느냐로 구분할 수 있으며, 이를 분해능이라고 한다. 또한 여기서 시료가 빛을 흡수 혹은 투과시키는 특성을 기록한 것을 스펙트럼이라 한다.(2) 자외선-가시광선 분광법자외선-가시광선 분광법은 일종의 흡수 분광법이다. 400~700㎚의 파장에 해당하는 가시광선과 200~400㎚의 파장을 갖는 근자외선으로 분자의 전자 에너지 준위간의 전이를 일으켜 스펙트럼을 얻는다. 자외선-가시광선 분광법의 요소로는 광원(light source) 단색광 장치(monocromater) 시료용기(sample cell) 검출기(detedtor) 기록기(recorder)로 나눌 수 있다.광원은 충분한 양의 자외선과 가시광선을 발생시키는 물체로서 보통 자외선-가시광선 분광기에서는 여러 종류의 램프를 사용한다. 대개 가시광선 영역에서 텅스텐 램프를 하지만 자외선 영역에서는 빛의 양이 적어서 D2 램프로 교체되게 되어 있다.단색광 장치는 프리즘이나 회절발(grating)을 사용하여 다색광을 공간적으로 분산시킨 않으므로 자외선 영역의 스펙트럼을 얻기 위해서는 석영(quartz)으로 만든 큐벳을 사용하여야 한다. 검출기는 시료를 통과한 빛의 양을 측정하는 전자 장치로서 주로 광증배관(photomultipiler tube PMT)을 많이 사용한다.< 분광기 원리 > < 가시 광선 >(3) UV-VIS spectroscopy의 원리외부에서 적당한 파장의 빛(이 경우 자외선 또는 가시광선 영역)을 분자에 쬐어주면 일정한 전자파 에너지를 흡수하여 들뜬 상태의 높은 에너지 상태로 변하는데 이것을 “분자전이”라고, 이러한 상호작용 시 반사, 산란, 흡수, 형광/인광, 광화학적 반응이 일어나는데, 이 중 흡수 과정만 측정한 UV-VIS 스펙트럼을 이용한 것이 UV-VIS spectroscopy이다.(흡수: 복사 에너지가 물질에 의해 흡수되어 물질과 에너지 사이에 작용이 일어나는 것.)M → M*M = 빛을 흡수하는 바닥 상태 분자.M*= 에너지를 받아 들뜬 분자.Etotal= Eel + Evib + Erot전자E 진동E 회전E(4) Beer-Lambert 법칙A(absorbance)= log(1/T) = εlcT = transmittance = io(입사된 빛의 세기)/it(측정된 빛의 세기)ε = molecular absortivity (L/mol.cm)l = 빛이 매질의 지나는 거리 (cm)c = 용액의 농도 (mol/L)cf) ε는 물질마다 변하는 상수.l은 용액 샘플을 담는 셀의 내경.c는 실험에 따라 필요한 값으로 제조.io와 i는 기기가 측정하는 값.측정 시, A는 1을 넘지 않도록 용액농도를 조절하는 것이 좋다.이 관계식은 흡광 분광기에 적용되는 법칙으로, 화합물의 정량적인 측정을 가능케 하는 여러 가지 분석방법의 기초가 되며, 환경오염물질의 분석과 임상학적인 분석에 이용되는 등, 여러 화학분야에서 다양하게 이용되는 매우 중요한 법칙이다.많은 화합물의 e값이 매우 크고(10,000-100,000), 흡광도는 특정한 파장에서 측정되기 때문에 Beer의 법칙에 근거한 분석eter를 이용해?간단하게 측정할 수 있다.?(6) pH와 산성, 염기성의 관계물은 자동이온화과정을 통해 1.0×10-7M(몰농도)의 수소이온과 1.0×10-7M의 수산화이온을 만든다. 그래서 중성인 물의 pH는 -log10(1.0×10-7) = 7 이다. 용액 속에 수소이온이 많을수록 작은 값의 pH를 갖고, 수소이온이 적을수록 큰 pH값을 갖는다. 순수한 물의 pH인 7을 기준으로 pH 값이 7보다 작은 용액은 산성용액, 7보다 큰 용액을 염기성용액이라 한다.(7) 산성용액의 pH 구하기2L의 물에 0.02몰의 HCl(염화수소)을 녹인 용액의 pH를 구해보자. 이 용액의 농도는 0.02몰/2L = 0.01몰/L = 0.01M(몰농도)이다. HCl은 물에 녹아 거의 100% 이온화하므로 0.01M의 HCl이 0.01M의 수소이온(H+)과 0.01M의 염화이온(Cl-)을 만든다.?따라서 HCl수용액의 수소이온농도 [H+]는 1.0×10-2M이 된다. 따라서 이 용액의 pH는 pH = -log10[H+] = -log10(1.0×10-2) = 2가 된다. 이 용액은 순수한 물이 가진 것보다?105배 많은 수소이온을 가지고 있는?강한?산성용액이다.좀더 정확하게 말하면, HCl수용액 속에는 HCl의 이온화에 의해 만들어진 0.01M의 수소이온 H+와 물의 자동이온화에 의해 만들어진 1.0 × 10-7M의 수소이온 H+가 모두 존재한다. 따라서 총 0.0100001M의 수소이온이 존재하게 된다. 그러나 물의 자동이온화에 의해 만들어진 수소이온이 HCl의 이온화에 의해 만들어진 수소이온에 비해 그 수가 매우 작기 때문에 pH를 결정하는 데에 큰 영향을 미치지 않는다. 따라서 강한 산성용액의 pH를 계산할 때는 물의 자동이온화에 의해 만들어진 수소이온을 고려하지 않아도 된다.(8) 산해리상수산이온화상수라고도 한다. 산해리상수 값이 클수록 이온화가 잘 되는 것이므로 센산이다. 이온화가 여러 단계로 일어나는 경우에는 각 단계마다 산해리상수를 나타낼 수 있다. 예를 들면, 아세-pKa = -pH + log[A-]/[HA],pKa = pH + log[HA]/[A-](9) Henderson - Hasselbalch? 방정식1) 약산성 약물(HA) : ?pKa = pH+log ([HA]/[A-])?????? = pH+log([nonionized acid]/[ionized acid])?2) 약염기성 약물(BOH) : ?pKb = pH+log([B+]/[BOH])? ? ? ? = pH+log([ionized base]/[nonionized base])(10) 완충 용액외부로부터 어느 정도의 산이나 염기를 가했을 때, 영향을 크게 받지 않고 수소이온농도를 일정하게 유지하는 용액으로 완충액이라고도 한다. 일반적으로 약한 산과 그 염의 혼합용액 또는 약한 염기와 그 염의 혼합용액이 완충작용을 한다.예를 들어 약한 산인 아세트산과 그 염인 아세트산나트륨의 혼합액이 있다.아세트산에 대해서는 아래와 같은 해리평형이 성립하며,?아세트산이온의 농도는 매우 작다.CH3COOH ↔ CH3COO-＋H+? …?①한편, 아세트산나트륨은 아래와 같이 대부분 해리한다.CH3COONa → CH3COO-＋Na+? … ②따라서 혼합액 속에는?많은 양의 아세트산분자와 아세트산이온, 나트륨이온, 그리고 적은 양의 수소이온이 존재한다. 따라서?용액은 약한 산성을 띠며,?용액 속의 아세트산이온의 농도는 아세트산나트륨의 농도에 따라 결정된다.이 용액에 외부에서 산이 가해져 수소이온(H+)이 증가하면, ②식에서 생긴 대량의 CH3COO-과 반응하여 ①식의 평형에 의해서 오른쪽에서 왼쪽으로 반응이 진행된다.?즉, 증가한 수소이온(H+)은 아세트산이온(CH3COO-)과 결합하여 아세트산분자(CH3COOH)가 되면서 용액의 수소이온농도는 거의 변하지 않는다.?반대로 염기를 가해 수산화이온(OH-)이?증가하면 용액 속의 수소이온(H+)이 중화되어 줄어든다. 하지만 ①식의 평형에 따라?왼쪽에서 오른쪽으로 반응이 진행되어 다시 수소이온(H+)을 생성하면서 용액의 수소이온농도는 거의 일정하게 활동도를 의미하므로, 농도가 묽을 때, ai?Ci 이다.이 때, pKa와 Ka의 관계는 다음과 같다.pKa = -logKa ..............(2)따라서, 식 (1)로부터 다음의 식 (3)을 얻는다. (Henderson - Hasselbalch?식)pKa = pH + log(CHA/CA?) ...............(3)또 약산의 전체농도 C0는 다음과 같다.C0 = CHA + CA- ...............(4)HCl (1X10^-4M)의 산성 용액(pH=4pKa)에서는, 모두 이온화되어 짝염를 형성하는 쪽으로 평형이 이동되므로, 식 (4)는 다음 식 (4.2)와 같다.C0 = CA- ...............(4.2)한편 pH 9.00의 완충 용액(pH=pKa)에서는 이온화되지 않은 산과 이온화된 짝염이 같은 농도로 존재하는데, 이 두 성분은 가시 광선 영역에서 현격히 다른 흡수 스펙트럼을 갖기 때문에, 이 성질을 이용하여 티몰블루의 해리상수 Ka와 pKa를 쉽게 구할 수 있다.산성 용액에서 주로 존재하는 HA는 푸른색 파장 영역에서 빛을 흡수하여 노란색(430nm)을 나타내고, 반대로 짝염는 염기성 매질에 주로 존재하며 노란색 파장 영역에서 최대 흡수 파장을 나타내어 그 보색의 색깔인 푸른색(595nm)을 띤다.Beer-Lambert 법칙에 의해, 특정 파장에서 시료내 빛의 투과 길이가 d이고, 농도가 Ci인 물질 i 성분의 흡광도는, A(absorbance) =i · Ci · d 가 된다.빛을 흡수하는 물질이 두 개 이상 동시에 존재할 때는 각 물질의 흡광도는 각 물질의 흡광도를 더한 것과 같으므로 HA와가 동시에 흡광을 일으킬 경우,A =HA · CHA · d +· C· d ........(5)산성에서는 CA- = 0, CHA = C0 이고, 염기성에서는 CHA = 0, CA- = C0 이므로,식 5)는 아래와 같이 단순해진다.A =HA · C0 · d =AHA : pH < pKaA =· C0 · d =A: pH > pKa이것을 식 (4있다.

자연과학| 2012.05.05| 9페이지| 1,500원| 조회(221)

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Spectroscopy 실험 예비보고서

1. 실험제목Spectroscopy2. 날짜, 시간3. 이름, 공동실험자4. 실험목적·Spectroscopy Analysis에 사용되는 기기원리를 이해한다.·UV/visible Spectrum을 통해서 미지기체시료의 성분을 분석한다.·각 peak의 파장대 분석과 peak의 오차원인을 예측한다.·Balmer series에서 각 기체의 전위상태를 예측한다.5. 실험원리⑴ Spectroscopy(분광학)물질에 의한 빛의 흡수나 복사를 분광계, 분광광도계 등을 써서 스펙트럼으로 나누어 측정, 해석하는 학문이다. 이를 통해 그 물질의 에너지준위나 구조, 전이확률, 온도 등을 연구한다. 양자역학 탄생의 바탕이 되었고 이후에 서로 보완, 발전하였다.빛의 스펙트럼을 해석하여 물질의 성질에 대해 연구하는 광학의 한 분야이다. 초기에는 주로 기체의 원자·분자가 방출하거나 흡수하는 빛을 연구하였다. 스펙트럼 분석으로 얻은 전자의 에너지준위가 불연속적이라는 관찰결과는 양자론의 바탕이 된다. 이후에 양자역학이 액체·고체에 적용됨에 따라 물성론의 분야가 개척되었다. 분광학을 통한 물성 연구를 특히 광물성이라 한다. 연구하는 파장도 자외선 및 적외선으로 확장되어 자외선분광학·적외선분광학이 생기고, 긴 파장을 다루는 전파분광학, 짧은 파장의 X선을 다루는 X선분광학 등도 등장했다. 더 나아가서 γ선을 다루는 핵 분광학, 전자의 에너지 스펙트럼을 연구하는 전자분광학, 또는 방사성원소에서 나오는 β선의 에너지를 연구하는 β선 분광학 등도 있다.⑵ Ultraviolet-Visible Spectroscopy- UV-Visible의 파장 범위 : 100nm - 1000nm- UV-Visible spectrum의 발생 : 원자나 분자가 그 종류에 따라 서로 다른 특정한 파장의 자외선이나 가시광선을 흡수하면서 전자 전이를 일으키는 원리를 이용하여 시료의 정성 및 정량을 분석하는 분석법이다. 원자가전자의 전이, 결합상태 및 기하학적 구조 등의 특징에 따라 흡수되는 빛 에너지의 크기 및 세기가 다르게 나법(Infrared spectroscopy)과 함께 진동 모드의 변화를 추적함으로써 분자의 구조와 특성을 밝히는 진동분광학(Vibrational Spectroscopy)이란 학문영역의 독자적인 한 영역을 구축하고 있다. 이 라만 분광법은 원래 빛의 약한 라만 산란현상을 이용하였기 때문에 적외선분광법보다 먼저 태동을 하였으면서도 발전 속도가 느려 적외선분광법만큼 그 동안 많이 활용되지 못했는데, 광원으로써 출력이 좋은 레이저의 출현과 함께 급속도로 발전하여 지금은 여러 연구 분야에서 각광을 받고 있는 진동분광학중의 하나이다. 라만분광법은 진동운동을 하고 있는 분자에 단색광의 입사광을 쪼여줄 때 그 분자가 가지는 진동자들이 입사광의 에너지를 자신이 진동하는 에너지만큼 흡수, 방출, 또는 아무 변화 없이 그대로 통과시켜 입사광의 에너지와는 다른 3 가지 형태의 빛을 내놓게 되는데 이것이 라만산란현상의 기본이 되고 있다. 분자가 외부로부터 입사된 빛에너지(νo)에서 일정 에너지(ν1)를 흡수하는 Stokes scattering(νo-ν1), 이미 들떠 있던 분자들로부터 에너지를 얻어서 더 높은 진동수를 가지는 anti-Stokes scattering(νo+ν1), 그리고 입사광과 동일한 에너지를 내는 Rayleigh scattering이 기본 산란 현상이다(Figure 1).Figure 1. 라만 산란 현상의 종류 (은 진동자의 진동수).이 세 가지 산란 중 라만 분광법에서 가장 많이 사용하는 분야는 Stokes 산란인데 이것은 Stokes 산란의 세기는 Figure 2에 나타난 것처럼 어떤 진동모드의 바닥상태, 즉 진동에너지준위 v=0상태에 존재하는 분자들의 수에 비례하며, 반면에anti-Stokes산란은 v=1상태에 존재하는 분자들의 수에 비례 하게 되는데 v=0와 v=1에 분포되는 분자들의 수는 볼츠만 분포식을 따르므로 실내온도에서 대부분의 분자들은 Figure 3에서 볼 수 있듯이 바닥상태에 많이 존재하게 되어 Stokes 밴드의 크기를 추적함으로써 분자들 수수 있는 mode 선택성이 있으나 분석하고자하는 분자가 그 파장에서 형광을 나타낼 경우에는 라만 밴드를 관찰하기 힘들다는 단점이 있다. normal Raman spectroscopy에서는 공명에너지가 아닌 장파장의 에너지를 입사광으로 사용하게 됨으로써 형광을 줄일 수 있으며 시그널이 분자 수에 비례하므로 정량분석을 할 수 있다는 장점은 있으나 시그널이 작아지는 단점이 있다. 단점을 극복하기 위해서는 scan 수를 많이 늘려야 되는데 이러한 목적에는 dispersive 방법 보다는 재현성이 좋고 시간이 단축되는 FT 방법이 적합하다. 1064 nm의 입사광을 사용하는 FT-Raman 분광법이 normal Raman spectroscopy의 대표적인 한 예이다.Figure 5. 라만과 형광.? 라만 산란 과정의 양자학적 이해분자가 자외선이나 가시광선을 받았을 때 분자는 여기 상태(excited vibrational state)로 들뜨게 되고 이 여기 상태의 분자는 세 가지 기전을 거쳐 다시 바닥상태(ground state)로 내려오게 되는데 이를 도식화하면 Figure 6과 같다.Figure 6. 라만 산란 과정의 양자학적 이해.먼저 입사 광원의 에너지(hvo)를 모두 방출 하면서 바닥상태로 떨어지게 되면 입사된 광원과 같은 에너지(주파수)의 빛이 산란되어 방출되는데 이 경우가 레일리 산란이고, 반면 분자의 진동에너지(hv1)만큼을 흡수하거나 방출한 후 바닥상태로 돌아오는 경우를 라만 산란이라고 한다. 이때 전자 상태(electronic state)는 바뀌지 않지만 진동 상태의 전이가 일어난다. 분자의 진동 에너지를 흡수한 후 바닥상태로 돌아오는 경우를 stokes 효과라 하고 이때 복사선의 에너지가 분자에 의해 흡수되었으므로 입사된 광원보다 낮은 에너지(vo-v1) 즉 보다 긴 파장의 빛이 산란된다. 반면 분자가 가지고 있던 진동 에너지를 방출하고 바닥상태로 돌아오는 경우를 anti-stokes 효과라고 하고 복사선이 분자로부터 에너지를 얻은 상태이므로 입사된 모든 분자의 진동 모드가 적외선 흡수에 의해 관찰되는 것은 아니다. O2, C-C, C=C와 같은 대칭 Stretching Vibration의 경우에는 흡수띠가 약하거나 잘 보이지 않는다. 이런 현상은 적외선에 의한 진동 전이 선택의 경우 이중 극자 모멘트의 변화가 있는 모드만 흡수를 하기 때문이다. 따라서 H2, O2와 같은 동핵 이원자 분자와 같이 이중 극자 모멘트가 없거나 Polyatomic 분자라도 이중극자 모멘트가 거의 없는 분자는 적외선을 흡수하지 않는다.반면 Raman 분광법에서는 C=C나 S-S와 같은 대칭 분자의 진동 모드를 명확히 관찰할 수 있다. Raman 스펙트럼에서는 Deformation Vibration보다 Stretching Vibration이 더 강하게 나타나고 Stretching Vibration을 하는 공유결합의 피크가 이온결합의 피크보다 더 강하게 나타난다. 또한 공유결합 중에서도 단일결합보다는 이중결합의, 이중결합 보다는 삼중결합의 피크가 더 강하게 나타난다.Raman 분광법에서 중요한 factor는 Polarizability이다. 즉, 분자결합이 Polar 할 경우만 Raman Scattering 이 관찰된다. 여기서 Polarizability란 전기장 안에서 비틀어짐(distortion), 즉 부피의 변화를 양적으로 나타내는 척도라 할 수 있다. O2의 예를 들어 설명하자면 두 산소 분자의 결합 길이가 평형상태()에서 ()로 증가할 때 분자의 부피는 증가한다고 볼 수 있으며, 이 때 Polarizability는 증가한다고 생각할 수 있다.Figure 9. Raman과 IR.이와 같이 Raman과 적외선 분광법의 인식방법이 다르기 때문에 두 분광법에서 서로 다른 정보를 얻을 수 있으며, 상호 보완적으로 사용될 수 있다.? 라만과 적외선라만 산란으로부터 얻어진 스펙트럼은 적외선 흡수 스펙트럼과 상보적이다. 라만은 mid-IR, near-IR과 비교해 여러 장점들을 제공한다.① 전처리가 전혀 필요 없거나 거의 필요하지 않다.②. 광전자는 광전효과의 결과이다.양자론에 의하면 모든 물질은 입자적인 성질과 파동적인 성질도 갖는다. 입자적인 성질에 의해 빛은 광자로 이루어져 있다고 볼 수 있으며, 광자 한 개의 에너지는 빛의 진동수에 볼츠만상수를 곱한 값이다. 광자 한 개의 에너지가 금속의 일함수라고 하는 속박 에너지보다 클 때 비로소 광자가 에너지를 전자에 주어 광전자가 금속 밖으로 나오게 된다. 그 때 방출되는 개수는 빛의 세기 즉 광자의 개수와 비례한다. 광전자가 가지는 에너지는 광전효과에서 흡수된 광자의 에너지로부터 전자가 물질의 밖으로 나오는 데 필요한 에너지(일함수)를 뺀 것과 같다.광전자에 의한 현상으로, 기체가 빛을 흡수하여 광전자를 방출해서 이온이 되는 광이온화, 고체 표면에서 광전자가 방출되는 외부광전효과, 절연체나 반도체 안에서 원자가전자띠로부터 방출된 광전자가 전도띠로 올라가 광전도성을 가지는 내부광전효과, 고체 접촉면에서 방출된 광전자가 나타내는 광기전력효과 등이 있다.⑹ 회절(diffraction)파동이 진행 도중 장애물을 만나면 그 주위를 돌아서 전달되고, 좁은 틈을 통과한 파동은 원래의 진행 방향과는 다른 방향으로 넓게 퍼져 전달되는 현상이다. 예를 들면 담장 너머의 사람이 보이지는 않아도 말하는 소리는 들을 수 있다. 소리(음파)는 공기를 매질로 하는 파동이므로 회절이 일어난다. 라디오의 AM방송은 FM방송에 비해서 수신이 잘된다. 이는 AM방송에 쓰는 전파의 파장이 FM방송에 사용되는 파장의 길이보다 길어서 건물이나 장애물을 만났을 때 회절 되어 구석구석 잘 전달되기 때문이다. 그리고 회절은 파동의 경로에 있는 어떤 물체에 의해서 야기된 파동 사이의 간섭으로써 파동이 검출되는 곳에 일련의 밝고 어두운 회절무늬를 생기게 한다.⑺ Doppler effect전파, 광, 음의 발생점과 이것을 관측하는 관측점의 어느 한 지점 또는 양쪽 지점이 이동함에 따라 전파 거리가 변화될 경우, 측정되는 주파수가 변화하는 현상을 말한다. 발생점과 관측점이 가까워질 때는 주파수가.

자연과학| 2012.05.05| 16페이지| 1,500원| 조회(119)

광섬유, 빛, 회절, 빛의 성질, 분광학, 전처리, Spectroscopy 예비보, 광전자 효과

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가시광선 분광기를 이용한 약산의 해리상수 결정 실험 결과보고서

1. 실험제목가시광선 분광기를 이용한 약산의 해리상수 결정2. 날짜, 시간3. 이름, 공동실험자4. 실험목적◆ Spectrum의 이해◆ Spectrum을 통하여 지시약의 해리상수를 측정5. 시약 및 기구① 시약0.1N HCl 100ml, 0.1N NaOH 100ml, pH 9.00 buffer, Thymol Blue 1g, EtOH 300ml,증류수4LNameFormulaF?WM?pB?pDensitySodiumhydroxideNaOH40318.4(완전탈수시328)13902.13HydrogenchlorideHCl36.46-114.241101.16thymolsulfophthaleinC27H30O5SH2O192.124(anhydrous)210.14(monohydrate)1531751.665★ Thymol blue (thymolsulphonephthalein)산염기 지시약의 하나로 녹색 결정으로 물과 에탄올에 녹으며, pH 1.2에서 pH 2.8이면 노란색으로 변하고, pH 8.0에서 pH 9.6이면 파란색으로 변한다.(자세한 물리적 성질은 아래의 시약표에 표기)티몰 블루는 수용액에서 약산으로 작용하여 부분적으로 해리하는데, 이 때 이온화된 성분과 이온화되지 않은 성분은 가시 광선 영역의 서로 다른 파장에서 최대 흡광도를 나타낸다. 이 지시약의 평형점을 나타내는나값은 가시광선 영역에서 분광기를 이용하여 측정할 수 있다. 즉, 파장 400~700nm 사이에서 온도를 일정하게 하고 묽은 HCl, 묽은 NaOH, pH가 고정된 완충 용액에 일정 농도의 티몰 블루를 용해시키고 흡광도를 측정하면, 이 결과로부터 지시약의를 구할 수 있다.② 기구250ml 눈금실린더, 1000ml 부피플라스크 3개, 50ml 부피플라스크 3개, 1/5ml 피펫,150ml 비커, 파스퇴르피펫 4개③ 기기UV/Vis spectrometer6. 실험방법1) 0.1N HCl 표준용액(10ml)과 0.1N NaOH(10ml) 표준용액을 제조○ 0.1N HCl 표준용액(10ml) ⇒HCl 0.088ml를 Cl, 티몰블루 + NaOH, 티몰블루 + pH 9.00 buffer, 증류수5) UV/Vis를 측정한다.6) 470nm, 640nm에서 나타나는 흡광도를 이용하여 pH 9.00 buffer에서의 HA와 A-의 농도를 구한다.※ 주의사항1) 표준 용액의 정확한 농도 확인2) 티몰블루를 에탄올에 완전히 용해시킨 후 증류수로 희석3) UV/Vis cell의 표면 깨끗이7. 실험 결과★ UV/Vis를 이용한 약산의 해리 상수 결정티몰 블루는 분석 실험에 널리 이용되는 지시약으로 수용액에서 약산성을 띠며 부분적으로 해리된다.이때,는 C27H30O5S- 이다. 해리 평형의 위치를 나타내는 산해리상수 Ka는 다음과 같다.Ka = aA-aH? / aHA ? CA-CH?/CHA ..............(1)ai는 이온 I의 활동도를 의미하므로, 농도가 묽을 때, ai?Ci 이다.이 때, pKa와 Ka의 관계는 다음과 같다.pKa = -logKa ..............(2)따라서, 식 (1)로부터 다음의 식 (3)을 얻는다. (Henderson - Hasselbalch?식)pKa = pH + log(CHA/CA?) ...............(3)또 약산의 전체농도 C0는 다음과 같다.C0 = CHA + CA- ...............(4)HCl (1X10^-4M)의 산성 용액(pH=4pKa)에서는, 모두 이온화되어 짝염를 형성하는 쪽으로 평형이 이동되므로, 식 (4)는 다음 식 (4.2)와 같다.C0 = CA- ...............(4.2)한편 pH 9.00의 완충 용액(pH=pKa)에서는 이온화되지 않은 산과 이온화된 짝염이 같은 농도로 존재하는데, 이 두 성분은 가시광선 영역에서 현격히 다른 흡수 스펙트럼을 갖기 때문에, 이 성질을 이용하여 티몰블루의 해리상수 Ka와 pKa를 쉽게 구할 수 있다.산성 용액에서 주로 존재하는 HA는 푸른색 파장 영역에서 빛을 흡수하여 노란색(430nm)을 나타내고, 반대로 짝 염는 염기성 매질에 주로 존재하며 노란색 파장 · C0 · d =AHA : pH < pKaA =· C0 · d =A: pH > pKa이것을 식 (4)로 치환하면 다음과 같다.CA- = (A -HA · C0 · d ) / d(-HA) ..(6)이 식을 이용하면 이온화된 짝염의 농도를 계산할 수 있다. 이 때, A는 완충 용액의흡광도를 나타내며, 흡광도는 등흡광점이 아닌 곳(HA)에서 측정하여야 한다.흡광계수(HA ,)는 산성과 염기성 용액 속에서 각각 측정한 동일 파장에서의 티몰블루의 흡광도와 농도(C0 = 3.00X10^-4mol)를 이용하여 계산할 수 있다.(6)의 식에서 CA-가 구해지면, C0 = CHA + CA-를 이용하여 CHA를 구할 수 있다.이렇게 구해진 CA- , CHA , 완충 용액의 CH+ (1X10^-9M) 을 식 (1)에 대입하여 지시약 상수 Ka를 구할 수 있다.실험에 사용된 티몰 블루의 해리상수는 다른 방법으로도 구할 수 있는데,625nm 파장 이상에서는 짝염기인만이 실질적으로 빛을 흡수하므로HA = 0 이다.따라서 식 (5)는 다음과 같이 쓸 수 있다.A =· C· d정의에 의하면 해리도는,= A /이므로, .........(7)압력을 일정하게 하고, NaOH 용액에서의 흡광도와 주어진 완충 용액에서의 흡광도를 측정하여 구한 뒤, 질량 보존의 법칙에 따라, 식 (4), (8), (1)을 이용하여, Ka 값을 구할 수 있다.Ka = (CH+ ·) / (1-) ..........(8)Ka 값이 결정되면, pKa = -logKa 을 이용하여 pKa 값을 구할 수 있다.★ 스펙트럼 분석(최대 흡수 파장에서의 최대 흡광도)○ 티몰 블루 + 완충 용액의 UV-Vis 스펙트럼A(OD)597.1090.561917○ 티몰 블루 + HCl의 UV-Vis 스펙트럼A(OD)438.04450.349809○ 티몰 블루 + NaOH의 UV-Vis 스펙트럼A(OD)596.15120.971227○ 3개의 그래프를 한꺼번에 도시1) 470nm흡광도 ⇒ 완충 용액 (A) : 0.22644 / HCl (AHA) :A = C0 - CA- = 3 x 10^-5 - 1.0449 x 10^-5 = 1.9551 x 10^-5Ka = CA-CH?/CHA = (1.0449 x 10^-5)(1 x 10^-9) / (1.9551 x 10^-5) = 5.344 x 10^-10pKa = -logKa = -log(5.344 x 10^-10) = 9.27212) 640nm흡광도 ⇒ 완충 용액 (A) : 0.175244 / HCl (AHA) : 0.0278 / NaOH (A) : 0.293423CH? = 1 x 10^-9C0 = 3 x 10^-5 M [ = (3x10^-9 x 0.5ml) / (5ml)]d = 1 cmHCl 산성: AHA =HA · C0 · dNaOH 염기성: A=· C0 · dHA = AHA / (C0 · d) = (0.0278) / (3 x 10^-5 x 1) = 926.667= A/ (C0 · d) = (0.293423) / (3 x 10^-5 x 1) = 9780.77CA- = (A -HA · C0 · d ) / d(-HA) = (0.175244-0.0278) / (9780.77-926.667)= 1.67 x 10^-5CHA = C0 - CA- = 3 x 10^-5 - 1.67 x 10^-5 = 1.33 x 10^-5Ka = CA-CH?/CHA = (1.67 x 10^-5)(1 x 10^-9) / (1.33 x 10^-5) = 1.256 x 10^-9pKa = -logKa = -log(1.256 x 10^-9) = 8.901실험에 사용된 티몰 블루의 해리상수를 다른 방법으로 구하는 방법625nm 파장 이상에서는 짝염기인만이 실질적으로 빛을 흡수하므로HA = 0 이다.따라서 식 A =HA · CHA · d +· C· d 는 다음과 같이 쓸 수 있다.A =· C· d정의에 의하면 해리도는,α ==이므로압력을 일정하게 하고, NaOH 용액에서의 흡광도와 주어진 완충 용액에서의 흡광도를 측정하여 구한 뒤, 질량 보존의 법칙에 따라, 식 C0 = CHA + CA-, Ka = (C각기 다른 pH 용액인 pH9의 완충 용액과 HCl, NaOH 용액과의 혼합물의 UV-VIS 스펙트럼을 통해 분석하는 실험이다. 티몰 블루는 수용액에서 약산으로 작용하여 부분적으로 해리되어, 이 때 이온화된 성분과 이온화되지 않은 성분은 가시 광선 영역의 서로 다른 파장에서 최대 흡광도를 나타낸다. 이 지시약의 평형점을 나타내는 Ka나 pKa 값은 가시광선 영역에서 분광기를 이용하여 측정 할 수 있다. 즉, 파장 400-800nm 사이에서 온도를 일정하게 하고 묽은 HCl, 묽은 NaOH, pH가 고정된 완충용액에 일정 농도의 티몰 블루를 용해시키고 흡광도를 측정하면, 이 결과로부터 지시약의 Ka를 구할 수 있다. 티몰블루 약산의 전체 농도는 C0 = CHA + CA- 이 된다. HCl (1X10^-4M)의 산성 용액(pH=4pKa)에서는 모두 이온화되어 짝염를 형성하는 쪽으로 평형이 이동되므로 C0 = CA- 가 된다. pH 9.00의 완충 용액(pH=pKa)에서는 이온화되지 않은 산과 이온화된 짝염이 같은 농도로 존재하는데 이 두 성분은 가시광선 영역에서 현격히 다른 흡수 스펙트럼을 갖기 때문에, 이 성질을 이용하여 티몰블루의 해리상수 Ka와 pKa를 쉽게 구할 수 있다. HCl(산성 용액)에서 주로 존재하는 HA는 푸른색 파장 영역(= 438.0445nm⇒ 최대흡수파장)에서 빛을 흡수하여 노란색을 나타내고, 반대로 짝 염는 NaOH(염기성 용액)에 주로 존재하며 노란색 파장 영역(= 596.1512nm ⇒ 최대흡수파장)에서 최대 흡수 파장을 나타내어 그 보색의 색깔인 푸른색을 띤다. 그리고 완충용액에서는 HA와 A-가 섞인 색이 관찰된다. 데이터처리에서는 일반적으로 측정되는 흡광도 영역인와로 잡아서 계산을 하였다. 470nm와 640nm에서의 각각의 흡광도를 이용하여 pKa를 구하고, 평균값을 내면 pKa = 9.08655 로, 20℃(293K)에서의 티몰 블루의 pKa = 9.00 와 비교하여 0.96%의 오차율을 보인다. 이와 같은 오차의 원인으로는

자연과학| 2012.05.05| 12페이지| 1,500원| 조회(1,702)

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