1. 실험 목표
표준물 첨가법(Standard Addition)과 분광법을 이용한 강철 속 포함된 망가니즈(Mn)의 정량분석
2. 실험 이론
강철(Steel)
철로 구성된 합금이다. 고강도 저합금강은 망가니즈 (Mn)등을 첨가하여 추가 강도를 제공한다. Mn은 저렴한 비용의 스테인리스 스틸 생산에 핵심적인 요소이다. 이번 실험에서는 강철에 포함된 Mn을 정량한다.
표준물 첨가법 (Standard Addition Method)
Matrix의 제거 없이 시료 내 분석물의 농도를 정량 하는 방법이다. 이때, Matrix란 분석물질을 제외하고 미지물질 중에 함유되어 있는 모든 화학종을 일컫는다. 어떤 성분이 들어있는지 알고 있으나 그 농도를 모를 때 사용한다.
시료의 매트릭스가 분석신호에 영향을 주거나 그 조성을 모를 때 사용하는 분석방법이다. 이 때, 매트릭스란 분석물질을 제외한, 미지 시료 중에 함유된 모든 화학종을 말한다. 매트릭스 효과란 매트릭스에 의해 일어나는 분석 신호의 변화를 의미한다. 분석하고자 하는 시료 용액에 분석 대상과 동일한 표준 물질을 농도 0부터(바탕 시료) 일정 간격으로 증가시키며 첨가한 용액의 흡광도를 측정한다. 농도와 흡광도 사이 관계에서 나타나는 교정곡선을 그린다. 이번 실험에서 Cr과 Ce가 매트릭스이다.
전자기 복사선
일반적으로 빛(백색광)이 물체에 닿으면 그 빛은 물체의 표면에서 반사되거나 물체의 표면에서 조금 내부로 들어간 후 반사, 또는 물체에 흡수되거나 물체를 통과하는 빛으로 나누어지는데 물체에 의하여 흡수되는 빛의 양은 그 농도에 따라 다르다. 그러므로 이와 같은 빛의 흡수현상을 이용하면 시료용액 중의 빛을 흡수하는 화학물질의 양을 정량할 수 있다. 이를 시료용액, 또는 적당한 시약을 넣어 발색시킨 용액의 흡광도법이라고 하는데 주로 자외선(ultraviolet, 180~320nm) 및 가시광선 (visible, 320~800nm) 영역에서 빛의 흡수를 이용한다. 전자기 복사선의 흡수원리로는, 바닥상태로 있는 원자나 분자는 HOMO와 LUMO의 에너지차이에 해당하는 파장의 빛을 받으면 이는 흡수하여 들뜬 상태가 된다. 흡수하는 빛의 파장 및 세기에 따라 유기 및 무기물의 분석이 가능하다.
빛이 물체에 닿으면 1.물체의 표면에서 반사, 2.물체의 표면에서 조금 내부로 들어간 후 반사, 3.물체를 통과, 4.물체에 흡수되는 빛으로 나누어지는데 물체에 의하여 흡수되는 빛의 양은 그 농도에 따라 다르다.
전자의 전이종류
A. 유기물의 전자전이
: 발색단으로 작용하는 불포화 유기작용기가 존재하는 경우 발생할 수 있으며
자외선 및 가시광선 영역의 빛을 흡수
B. 무기물의 전자전이
: 전이금속의 경우 d-오비탈로부터 비어있는 d-오비탈사이에서의 전자전이,
그리고 란타넘 및 악티늄족원소의 f-오비탈 전자전이가 있음
C. 전하이동의 의한 전자전이
: 전자주개와 전자받개 사이에서 전자가 이동하며 나타나는 현상
분광광도법
분광광도법이란 시료내에 존재하는 분자에 의해 흡수되고 방출되는 전자기복사선을 통해 정량 및 정성분석을
하는 방법이다. 따라서 분광광도법을 이용하여 흡수된 빛의 파장을 통해 어떤 물질이 있는지 확인할 수 있고(정성분석)
흡광 스펙트럼 분석하여 시료내 분석대상물질이 얼마나 존재하는지알 수 있다(정량분석).
자외선-가시광선 분광광도법 (Uv-vis Spectrophotometry)
분광광도법이란 시료가 흡수하는 빛의 양, 즉 흡광도(absorbance)로 시료의 농도, 종류, 구조 등을 결정할 수 있는 분석법이다. 분자의 에너지는 회전에너지, 진동에너지, 전자에너지로 나눌 수 있다. 자외선-가시광선은 에너지로 환산할 경우, 전자에너지에 해당한다. 즉, UV-VIS 흡수는 분자내의 전자, 특히 원자의 전자가 전이를 일으키게 된다. 이런 전자전이는 분자내의 전자구조, 즉 분자의 화학결합상태 및 기하학적 구조등의 특징에 따라 흡수되는 빛 에너지의 크기(Frequency) 및 세기(Intensity)가 다르게 나타난다. 따라서 자외선-가시광선 분광학은 분자의 전자구조적 성질을 규명하는 가장 강력한 수단중의 하나이다. 바닥상태의 원자, 분자가 가시광선 및 자외선을 흡수하면 전자전이(electronic transition)가 일어나는데, 원자나 분자는 종류에 따라 다른 특정한 파장의 빛을 흡수하여 전자전이를 일으키므로, 흡수되는 파장을 알게 되면 원자나 분자의 종류를 확인할 수 있다. 따라서 주로, 유기화합물과 금속 킬레이트 화합물에 국한되어 사용되며, 유기물이나 금속이온의 분석과 분자구조 규명에 사용한다. UV-VIS Spectrometer 는 빛의 파장(nm) 또는 진동수(Hz)에 따라 물질의 흡광도(absorbance)를 측정하여 기록한다. 그러나 물질의 흡광도를 직접 측정하는 것은 용이하지 않으므로, 실제로는 일정한 세기의 빛을 물질에 통과시킨 후 통과전후의 빛의 세기를 비교하여 흡광도를 측정한다. 일정한 파장의 빛이 시료 분자에 흡수될 때 고려되는 정량적 기본 법칙은 두 가지로 생각할 수 있다.
① Lambert법칙
액체상태의 시료를 투명한 큐벹에 담아 빛을 투과 시켜 변화된 빛 에너지를 측정한다.
그림 1과 같이 빛의 세기가 Ι0인 빛이 두께가 b인 물질층을 통과할 때 빛의 흡수로 인한 빛의 감소는 다음과 같이 수식으로 나타낼 수 있다. dΙ=-kΙdb 여기에서, k는 비례 상수, -부호는 세기의 감소를 의미한다. 이 식은 다시 다음과 같이 쓸 수 있다. dΙ/Ι=-kdb 즉, "흡수된 빛의 분율은 통과되는 물질층의 두께(b)에 비례한다."는 뜻이다. b가 0일 때 입사광의 세기를 Ι0 이라고 하고 위식을 적분하면 다음과 같다. log Ιt/Ι0=-kb/2.303
② Beer법칙
Beer의 법칙은 물질의 농도와 흡수되는 빛과의 관계 법칙인데, "흡수된 빛의 분율은 물질의 농도에 비례한다."는 것이다. 같은 부피 내에서 시료 용질의 농도를 증가시키는 것은 물질의 두께를 증가시키는 것과 같은 효과가 있다.
③ 비어램버트 법칙
A = εbc
(A= 흡광도(물체가빛을 흡수하는정도를 의미), ε = 몰흡광계수, b = 큐벳의 길이(cm), c = 흡수물질의 농도(M))
표준 용액의 농도에 관한 흡광도가 얻어지면 A= εbc 를 통해 미지농도 시료의 농도를 계산할수 있다.
④ 투과도와 흡광도
T = P/P0
(P= 투과광의 강도, P0= 입사광의 강도, 투과도(transmittance, T)
A = -log T = -log (P/P0) = log (P0/P)
흡광도(absorbance) : 물체가 빛을 흡수하는 정도를 의미, 흡광도는 투과도로부터 유도 될 수 있으며 투과도의 역수에 상용로그를 취한값이 곧 흡광도로 표현될 수 있다.
⑤ 비어-램버트 법칙의 세 가지의 이상적인 가정
●시료물질에 빛을 조사하면 빛의 흡수만이 일어나야 한다.
→ 하지만 실제로는 공명발광, 형광, 산란도 일어남
●빛은 완전히 단색화 된 빛이어야 한다
→ 실제로는 완전히 단색화 된 빛은 얻기 힘듦
●시료물질들은 서로 상호작용하지 않아야 한다
→ 진한 용액(0.01 M 이상) 에서는 상호작용이 생길 수 있음
→ 또한 용액 중에서 빛의 흡수를 하지 못하는 용질이 발생할 수 있음
따라서, 진한용액은 시료의 농도에 따라 흡광도가 비례하여 증가한다는 비어-램버트 법칙을 따르지 않는다.
⑥ UV-vis 분광기의 구성
1.Light source (광원): 빛을 발생시키는 물체
2.Monochromator (단색화장치) :
광원에서 나오는 넓은 파장의 빛을 단색 복사선으로 바꾼 후, 원하는 파장의 빛만 사용할 수 있도록 하는 장치
3.Cuvette (큐벳) : 시료를 넣는 용기
4.Detector (검출기) : 샘플을 통과한 빛을 검출하여 측정값을 나타내 주는 장치
본 실험에서는 Double Beam Spectrometer는 바탕용액과 시료용액을 동시에 측정가능하다.
⑦ 검량선(Standard Curve, Calibration curve)
Lambert-Beer의 법칙의 관계식은 어디까지나 이상적인 모델로부터 유도한 식이므로, 실제 시료에 대하여 이 법칙이 어느 정도 잘 맞는가를 검정해야 한다. 따라서 시료의 분석 파장을 결정한 후 그 파장을 고정시키고, 일정한 두께의 흡수 용기를 사용하여 알고 있는 몇 가지 농도에 대해 흡광도를 측정하여 아래 그림과 같은 곡선을 얻어 Lambert-Beer의 법칙에 얼마나 잘 맞는가를 검정한다. 이 곡선을 검량선이라 한다. 실제 정량분석에서는 이 곡선을 작성하여 시료의 농도를 결정한다.
3. 시약 및 실험기구
시약
- 강철 1 g
- 4 M HNO3 용액 60 mL
- (NH4)S2O8 1.0 g
- NaHSO3 0.1 g
- 85% 인산 용액 40 mL
- 고체 KIO4 3 g
- Mn 100 mg
- 증류수
실험기구
- 시계 접시 1개
- 250 mL 비커 2개
- 50 mL 비커 7개
- 250 mL 부피 플라스크 1개
- 1 L 부피 플라스크 1개
- 50 mL 부피 플라스크 7개
- 25 mL 피펫 2개
- 가열기
- 시약 스푼 2개
주요 반응식
- HNO3 (산화제)을 이용해 Mn을 Mn2+로 산화
Mn + 2HNO3 → Mn2+ + 2NO3- + H2 - KIO4 (산화제)를 이용해 무색인 Mn2+를 보라색의 MnO4-로 산화
2Mn2+ + 5IO4- + 3H2O → 2MnO4- + 5IO3- + 6H+ - 인산을 첨가, 무색의 철-인산 착물 형성 → 철에 의한 방해 최소화
6Fe + 2H3PO4 → 2Fe3(PO4) + 3H2 - (NH4)S2O8
시료 속의 탄소를 CO(g)또는 CO2(g)로 산화 (C 제거) - NaHSO3
갈색 침전물(MnO2)를 MnO4-로 산화
4. 실험방법
강철 소화
- 강철 시료 1 g를 250 mL 비커에 옮긴다.
- 강철 시료 1 g에 4 M Nitric acid 용액 50 mL를 첨가 후 모두 용해 될 때까지 가열한다.
- 시료가 분홍색이거나 갈색 침전물을 포함하고 있으면 Sodium sulfate 0.1 g을 첨가, 5분 동안 추가 가열한다.
- 1.0 g Ammonium persulfate를 첨가, 10분 정도 가열한다.
- 용액이 식을 때가지 기다린 후 250 mL 부피 플라스크로 옮기고 증류수를 표선까지 첨가한다.
표준 Mn용액 제조
- Mn 100mg를 농도 4 M Nitric acid 용액 10 mL에 용해, 수 분 동안 가열한다.
- 용액을 1 L 부피 플라스크로 옮긴 후, 증류수를 표선까지 첨가한다.
측정 시료 제조
- 강철 소화 용액 20 mL를 250 mL 비커로 옮긴 후 85% 인산(phosphoric acid) 용액 5 mL를 첨가한다.
- 각 용액을 5분동안 가열 후(90 ºC), 상온으로 식힌다.
- 표와 같이 바탕용액을 제외한 나머지 시료용액들에 표준 Mn용액, 고체 Potassium periodate를 첨가한다.
| 시료 | 강철 용액 (mL) | 85% 인산 (mL) | Mn 표준 용액 (mL) | 고체 KIO4 (g) | 흡광도 (nm) |
| 1-바탕 | 20 | 5 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | 0 | 0.4 | 0.200411 | ||
| 3 | 1 | 0.294181 | |||
| 4 | 2 | 0.375240 | |||
| 5 | 3 | 0.424622 | |||
| 6 | 4 | 0.551330 | |||
| 7 | 5 | 0.602087 |
4. 각 용액에 고체 Potassium periodate를 첨가한다.
5. 각 용액에 표준 Mn용액을 첨가한다.
6. 각 용액을 50 mL 부피 플라스크로 옮긴 후 증류수를 표선까지 첨가한다.
UV 측정
- 각 용액을 1회용 스포이드로 큐벳에 2/3이상 담는다.
- 안 쪽에 바탕용액 큐벳을, 바깥 쪽에 찍고자 하는 시료 큐벳을 넣는다.
- 프로그램을 이용하여 spectrum을 확인한다.
5. 주의사항
- 질산은 강산이므로 실험 시에 주의하고 후드 안에서 다룬다.
- 셀을 만질 때 빛이 통과하는 부분을 손으로 만지지 않도록 한다.
- 비커에 항상 stirring bar를 먼저 넣는다.
- 비커에 마커나 포스트잇을 라벨링을 해 둔다.
- 사용하는 분광학 기기의 사용법을 숙지하여 원활한 실험이 되도록 한다.
6.참고 문헌
- 분석화학 실험 2판 (대한화학회 분석화학, 전기화학분과, 사이플러스)
- 화학공학실험 (성기천 外 2, 사이텍미디어)
- 화학공학개론 (김학준 , 문운당)
- 최신분석화학 (박정학外4명공역, 자유아카데미)
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