안녕하세요 거북인입니다.오늘은 ‘평형상수의 분광학적 결정’이라는 실험보고서를 보내드리겠습니다.이번 실험은 맥주의 법칙에 관한 실험입니다.파이팅! 1. 실험 제목 : 평형상수의 분광학적 결정
2. 실험이론▶Beer’s law 벨은 시료의 흡광도는 시료에서 빛을 흡수하는 화학종의 농도에 비례한다고 밝혔으며, 램베르트는 시료의 흡광도는 시료의 두께에 비례함을 보였다. 벨법칙은 위의 두 내용을 합쳐서 기술한 것으로 이해할 수 있으며, 이는 분광법의 기본법칙 중 하나이다. 벨 법칙은 매우 좁은 파장 범위를 갖는 단색광(monochromatic) 빛에 적용 가능하다. 초기 방사 강도가 P0인 단색광이 통과 거리가 b인 시료를 통과하여 나온 강도가 P라고 할 때, 투광도(transmittance, T)는 다음과 같이 정의된다.T는 0과 1 사이의 값을 가지며 흡광도(absorbance, A)는 다음과 같이 기술된다.단색광이 전혀 흡수되지 않았다면 A는 0이 되고 90% 흡수됐다면 A는 1이 된다. 만약 1%의 단색광만 투과했다면 A는 2가 된다. A값은 상기와 같이 이론적으로 제한이 없으나 실제 흡광도 측정에서 A가 매우 작거나 혹은 크게 측정된다면 측정의 정밀도 및 기기장치의 구성에서 여러 한계점이 발생하므로 통상 0.1~1.0 사이의 값을 갖도록 조절한다. 그리고 흡광도는 이하의 수식으로 최종적으로 기술된다.b는 단색광의 통과거리에서 주로 cm단위를 사용한다. c는 시료의 농도로서 주로 몰 농도(M)를 사용한다. e는 시료의 고유한 특성으로 몰흡광계수(molarabsorptivity) 혹은 소광계수(extinction coefficient)라고 부르며 단위는 M-1cm-1이다.
· 평형상수는 화학평형의 법칙에서 유도된 것으로, 생성물의 몰 농도 곱과 반응물의 몰 농도 곱의 비이다. 평형상수가 크면 정반응이 활발해 생성물질이 많이 존재하는 것이고 화학반응식 계수가 바뀌면 평형상수값도 달라진다. 평형상수는 온도만의 함수이며 압력이나 농도에는 영향을 받지 않는다. 반응물 A와 B가 반응하여 생성물 C와 D를 생성하는 가역적 반응에 대한 화학 반응식은 다음과 같다.이러한 가역반응은 일정한 온도에서 시간이 충분히 지나면 반응물이나 생성물의 초기 농도에 관계없이 더 이상 겉보기 농도에 변화가 없는 상태에 이르는데, 이를 평형상태라고 한다. 이러한 평형 상태에서 반응물과 생성물의 농도비는 일정하며, 이 값 Kc를 평형 상수라고 한다. 이하의 첨자 c는 농도(concentration)의 약자이다. 가역적 반응에 대한 화학반응식은 다음과 같다.[A], [B], [C], [D]는 A, B, C, D의 평형에서의 몰 농도이다.반응물이 기체일 경우 농도 대신 기압 단위의 부분 압력을 사용한다.PA, PB, PC, PD는 각 성분 기체의 부분압이며 Kp는 압력 평형 상수라고 한다. 이 경우 역시 이상 기체에 가까운 기체일 경우에만 성립한다.
3. 시약 Fe(NO3) 3·9H2O(Iron(III) nitratenonahydrate), KSCN, 피펫, 비커, UV-visspectrophotometer
⦁ Fe(NO3)3 철질산염으로 조해성을 가지며 무색결정을 형성한다. 무수에서의 몰 질량은 241.86g/mol이며, 비수화물에서는 403.999g/mol을 가진다. 녹는 점은 약 47.2℃이고 끓는점은 125℃이다. 용해되면 가수분해돼 황생용액이 되는데, 이는 철금속 분말을 질산으로 처리해 제조된다. 이는 유기합성에서 산화제로 사용되기도 한다. 철질산염은 물 알코올 아세톤 등에 녹아 질산에도 약간 녹는다. 철안료, 분석용 시약, 의야금, 혁무두질제, 매염제 등으로 이용된다.
◆ KSCN 무색의 결정성 고체, 융점 172.3℃, 끓는점 500℃, 비중 1.886, 용해도 217g/100ml(20℃). 아세톤, 알코올, 아미르알코올 등에도 녹아 조해성을 갖는다. 3가 철 이온과 작용해 물에 잘 녹는 적색 사시오사이안산 철 Fe(SCN)3를 생성한다. 사이오사이안산 암모늄 수용액에 수산화칼륨을 첨가하고 그 용액을 가열해 증발시키면 생긴다. 또 사이안화칼륨을 황과 함께 용해해 물로 추출하고 여과 후 황산 및 알코올로 분리해도 생긴다. 3가 철 이온 검출 시 약, 염료, 사진 보조제, 냉각제 외에 혈압 강하제 같은 의약품으로도 쓰인다.
4. 실험결과
5. 고찰 이번 실험은 분광학적 분자 방출법을 이용해 착이온 농도를 알아보고 착이온 생성 반응의 평형 상수를 결정하는 실험이었다.이번 실험에서는 Beer’s law를 이용했는데, 몰 흡광 계수, 거리 값을 동일하게 계산했다. 몰흡광계수는 분광분석법으로 물질을 정량할 때 사용하는 각 물질 특유의 값이다. 표준용액, 시료 1~5는 FeSCN2+를 생성하는 실험이었기 때문에 몰 흡광계수는 모두 동일하다. Beer’s law에서 말하는 거리는 단색광의 통과거리를 말하는데, 모두 같은 시료를 이용하여 실험하였으므로 표준용액, 시료 1~5의 거리값이 동일하다. Beer’s law를 이용해 구한 Kc의 평균은 85.719였다. 그러나 평형상수는 30도에서 약 126의 값을 갖는다. 이런 오차를 갖는 이유에 대해 생각해 보았다. 본 실험에서는 SCN-가 모두 반응하여 100%의 전화율을 얻었다고 가정하여 계산하였다. 그러나 전화율은 실질적으로 100%로 수렴할 수 없다. 전화율이 100%에 달하려면 완벽하게 섞여야 하고 우리가 원하는 생성물로 만들어진다는 가정이 있다. 그러나 실제로는 이론과 달리 FeSCN2+로 변하지 않을 뿐만 아니라 환경적 요인 등으로 전화율이 100%에 미달하기 어렵다. 또한 생성물이 만들어지는 시간에도 영향이 있다. 반응이 시작되자마자 측정한 것과 시간이 오래 지난 뒤 측정했을 때의 결과가 달라지기 때문에 반응이 얼마나 진행됐는지에 따라 전화율은 달라진다.Beer’s law가 맞지 않는 경우가 궁금해서 찾아봤어. Beer’s law는 빛을 흡수하는 화학종의 농도가 얇은 용액(<0.01M)에서 흔히 적용된다. 진한 용액에서는 화학종이 서로 가까이 있고 상호작용에 따라 몰 흡광계수가 달라질 수 있다. 또 화학종이 농도에 의존하는 화학평형에 참여하면 몰 흡광계수가 농도에 따라 변하기 때문에 베어슬로우가 잘 맞지 않게 된다. 그러나 실험은 얇은 용액으로 진행했기 때문에 Beer’s law를 따른다고 할 수 있다.
6. 참고문헌-화공생물공학단위조작실험1, 동국대학교 화공생물공학과(2021), p20-25-세화편집부, 화학대사전, 2001.5.20-대한화학회, 화학백과, 1946.7.-화학용어사전편찬회, 화학용어사전, 2011.15.