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[화학공학] 무기안료의 합성예비리포트 평가B괜찮아요

■ 실험 목적 및 원리● 이번 실험에서는 전이금속을 이용하여 안료로 사용되는 몇 가지 착화합물을 합성한후 우유에서 분리한 카세인과 혼합해서 물감을 만들어 본다. 보석류와 같은 무기물질이 색깔을 나타내는 것은 미량의 불순물로 들어 있는 전이금속이온 때문이다. 실험과 아울러 전이금속이 어떻게 다양한 색깔을 나타내는지도 알아본다.반응 물질침전 물질침전물 색깔A : 0.3g K4Fe(CN)6B : 0.2g CaCl2CoFe(CN)6회녹색A : 0.2g NH4Fe(SO4)23H2OB : 0.2g Na2CO3Fe(OH)3갈색A : 0.2g NH4Fe(SO4)23H2OB : 0.2g k4Fe(CN)6KFe2(CN)6파란색A : 0.2g CaCl2B : 1.0ml Na2SiO3CaSiO3보라색A : 0.2g CaCl2B : 0.2g Na2CO3CoCO3연보라색● 원리○ 안료 (Pigment)물, 기름 등에 녹지 않는 여러 가지 빛깔을 가진 분말로써, 유기안료와 무기안료로 구별된다. 일반적으로 인쇄잉크, 도료 및 플라스틱, 고무등의 착색제로 사용된다. 단순한 증량제, 전색 재료 또는 체질변경제로서 쓰이는 것도 포함된다.○ 유기안료 (Organic Pigment)유기화합물로 이루어진 유기안료는 물에 녹지 않는 것과 물에 녹는 물감을 금속 염류 등인 침전제로써 녹지 않게 한 것(레이크)이 있다. 무기안료에 비하여 일반적으로 착색력이 크고 색상이 선명한 것이 많으며, 색의 범위는 치환기에 의하여 변경시킬 수 있다. 열안정성은 무기안료보다 나빠서, 300℃ 이상인 가열 착색 조건에서는 사용할 수가 없다. 합성 직후 입자가 거칠고 큰 안료를 진한 황산에 녹이고, 용액을 많은 냉수에 넣어서 미세한 입자를 석출시키면 안료에 큰 착색력과 선명도를 가지게 할 수 있다. 이러한 처리를 안료화(미립자화)라고 하여, 프탈로시아닌 · 디옥사진 · 안트라퀴논계열 등인 유기안료에 응용된다.안료는 자연에 존재하는 원료를 곱게 갈아서 만든 광물성 안료와 화학적인 처리를 거쳐서 만들어진 화학 안료로 구분하기도 하고, 색깔에 따라서 분류하기도 한다. 주로 금속 원소의 화합물인 무기물이 주로 안료로 사용되어 왔지만, 최근에는 탄소를 포함하는 유기안료도 다양하게 개발되어 사용되고 있다.○ 무기안료 (Inorganic Pigment)무기물질로 이루어진 무기안료는 유기안료에 비해서 일반적으로 안정하여 색이 변하지 않는 것이 특징이다. 색깔이 짙은 무기화합물은 페인트나 물감의 색깔을 나타내는 무기안료(inorganic pigment)로 많이 사용된다. 안료는 액체 또는 고체 결합제(binder)와 혼합하여 사용함으로써, 안료를 사용하는 재질의 색깔을 바꾸어주거나 보호해주는 역할을 한다. 안료로 사용되는 화합물이 빛을 흡수하면 보색에 해당하는 색깔이 나타나게 된다. 또한 안료와 결합제의 굴절률의 차이 때문에 나타나는 산란현상으로 외부에서 쪼여지는 빛이 안료를 칠한 재질에 닿지 않게 되어서 재질을 보호하는 역할도 하게 된다.백색 안료로는 탄산 납, 황산 납 또는 산화 납 화합물이 많이 사용되었지만, 최근에는 납의 유해성 때문에 산화 아연, 황화 아연 또는 이산화 타이타늄(TiO2)이 많이 사용되고 있다. 검정색 안료로는 주로 카본 블랙(Carbon Black)이 사용된다. 그 밖의 색깔을 나타내는 유색 안료로 사용되는 화합물들은 다음과 같다.색 깔화 합 물적 색Fe2O3, Pb3O4, HgS황 색PbCrO4, ZnCrO4, CdS-ZnS녹 색Cr2O3, Cr2O(OH)4, Cu(C2H3O2)-2Cu(OH)2, Cr2O3-Al2O3-CoO청 색Fe4[Fe(CN)6]3, CoO-Al2O3, Na8(Al6Si6O24)S24안료와 함께 사용되는 결합제는 안료가 재질에 단단히 달라붙도록 해주는 역할 이외에도 재질의 부식 등을 막아주는 역할도 한다. 페인트와 같은 경우에는 재질의 표면에 단단한 필름을 형성하는 고분자 물질을 용매에 녹인 결합제를 사용한다. 최근에는 다음과 같이 다양한 기능을 가진 결합제와 첨가제를 사용한 기능성 도료도 개발되고 있다.안료를 그림 물감 등에 사용할 때에는 우유나 치즈에서 분리한 카세인(Casein)을 결합제로 사용하기도 한다. 카세인은 락토알부민과 락토글로부린과 같은 단백질을 포함하고 있는 몇가지 인단백질(phosphoprotein)의 혼합물로 우유에서는 방사 모양으로 뭉쳐진 고분자 미셀의 형태로 존재한다. 카세인은 우유에 아세트산과 같은 산을 넣으면 침전으로 분리된다.색깔이 짙은 무기 화합물은 페인트나 물감의 색깔을 나타내는 무기 안료(inorganic pigment)로 많이 사용된다.본 실험에 이용될 안료를 합성하는 반응은 다음과 같다.NH4Fe(SO4)2˙12H2O(연보라) + K4Fe(CN)6˙3H2O(연노랑) → KFe2(CN)6(진한파랑)Fe(III) Fe(II) Fe(II)Fe(III)이 반응은 산화상태가 다른 Fe(II)와 Fe(III)를 반응하여 산화상태가 다른 금속이온을 포함하는 물질을 합성하는 반응이다. 반응 전에는 두 물질 모두 전이금속의 d-orbital에 의한 약한 색을 띠다가, 화합물이 합성되면서 진한 청색으로 변하게 된다. 이처럼 산화상태가 다른 두 가지 금속으로 이루어진 물질이 진한 색을 띠는 이유는 일반적인 전이금속의 d-d orbital간의 전자이동에 의한 것이 아니라, 산화상태가 다른 금속의 에너지 준위가 혼합되면서 나타나는 IT band (Inter- valence charge transfer band)에 의한 것이다.CoCl2˙6H2O(자주) + Na2CO3(무색) → CoCO3(연보라)Cobalt 이온이 Cl-와 결합하고 있을 때는 푸른색 계열의 색을 흡수하여 보색인 자주색이 보인다. 그러나 리간드가 CO32-로 바뀌면 분자의 에너지 준위가 바뀌어 노란색 계열의 빛을 흡수해 보색인 보라색으로 색이 바뀐다. 이렇게 전이금속을 이용한 안료의 경우 그 색과 화학적 구조가 깊은 연관성을 갖는다. 이러한 연관성을 결정장이론(Crystal Field Theory)을 통해 전이 금속이 리간드와 함께 어떻게 색깔을 나타내는 지에 대해서도 설명이 가능하다.○ d-d transitriondetΔEioncomplex리간드와의 결합에 따른 전이금속의 에너지 준위 변화금속이온이 리간드와 배위결합을 형성하면 에너지상태가 같았던(degenerate) d-orbital의 에너지 준위가 갈라지게 된다. 이때 t-orbital과 e-orbital간의 에너지 차이가 가시광선 영역의 빛을 흡수하면 색을 띠게 된다. 그러나 이러한 전자에의한 빛에너지 흡수는 양자역학적 규칙(selection rule)의 제한에 의해 에너지를 흡수한 확률이 낮기 때문에 색깔이 약하게 나타난다.○ IT band에너지반응 경로IT band(Intervalence charge transfer band)는 산화상태가 다른 두 개의 중심 금속을 갖는 화합물에서 나타나는 특성으로, 그림에 나타난 바와 같이 산화상태가 다른 금속의 에너지 준위가 혼합되어, 에너지 흡수에 의한 전자의 활성이 산화상태가 다른 금속들간에 전자이동과 같이 나타난다. 이러한 전자의 활성은 양자역학적 규칙에서 벗어나기 때문에 매우 활발하게 진행되어 에너지의 흡수가 왕성하고, 따라서 진한 색을 띠게 된다.○ 카세인(Casein)인단백질의 하나로서 건락소라고도 하며, 젖의 주요 단백질이다. 우유 속의 카세인 함량은 3.0%, 사람 0.9%, 말 1.3%, 개 4.8% 이다. 보통은 우유에 산류(아세트산, 황산, 또는 젖산)를 가해서 pH 4.6으로 하면 등전점(Isoelectric point)에 도달하여 침전이 만들어진다. 백색으로서 맛도 냄새도 없는 가루이다. 물이나 유기용매에는 녹기 어려우나, 묽은 알칼리에는 녹는다. 아미노산을 모두 함유한 영양성 단백질로서 중요하다. 우유 카세인은 일단 α-카세인, β-카세인, γ-카세인으로 분류한다. 젖 또는 카세인의 용액은 렌닌의 작용으로 응고하여, 파라카세인 또는 레넷카세인으로 된다. 이때 원래의 카세인을 카세이노겐이라고도 한다. 치즈의 원료는 파라카세인이다. 단백질가수분해효소의 활성 측정용 기질로서, 비타민을 함유하지 않은 식품은 비타민 시험용 동물의 사료로서, 또는 접착제 · 수성도료 등으로 이용된다.

자연과학| 2005.01.12| 5페이지| 1,000원| 조회(2,411)

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