화공노트: 화학공학 살펴보기

1. Introduction

결정 구조를 나타내는 모형을 만들어보고 고체의 구조를 이해해 보는 것을 목표로 한다.

2. Chemicals & Apparatus

스티로폼 구 흰색(20mm) 43개, 이쑤시개 3개, 글루건 1개, 글루건 봉 2개, 자

3. Procedure

실험 1 단순 입방 격자 만들기

1) 같은 크기의 20mm 흰 공 3개를 이쑤시개를 사용하여 틈이 업게 붙여서, 정사각형의 형태로 만든다. 같은 2개의 층을 만든다.

2) 1층 위에 2층을 올리고 이쑤시개로 연결한다. 두 층은 정확히 중심이 일치하게 붙인다.

3) 완성된 단순 입방 격자를 촬영하고, 단위 격자를 Data sheet에 그린다.

4) 스티로폼 공을 다시 빼서 다음 과정에 활용한다.

실험 2 체심 입방 격자 만들기

1) 자를 이용하여 20mm 스티로폼 구 3개를 이쑤시개에 직선으로 틈이 없게 끼워, 정육면체의 맞모금(대각선)을 만든다. 이때 흰 공을 사용하고 가운데는 파란색을 사용한다.

2) 만든 맞모금 가운데 구에 이쑤시개를 수직으로 끼워 20mm 흰 공 2개를 틈이 없게 끼워 고정시킨다.

3) 3개를 끼운 정사각형을 사선으로 세워, 나머지 4개의 20mm 흰공을 위와 아래에서 가운데 구에 2개씩 글루건으로 고정한다.

4) 나머지 모든 공을 글루건으로 고정하고, 이쑤시개를 제거한다.

5) 완성된 격자를 촬영하고, 꼭지점의 위치를 표시하여 칼로 잘라 단위 세포를 만든다. 사진을 촬영한 후, 격자 상수, 배위수, 단위 세포 부피와 입자 점유율을 구한다.

실험 3 육방 체밀 격자 만들기 (hcp)

1) 글루건을 이용하여 20mm 스티로폼 흰 구 7개를 육각형모양으로 붙여 1층과 3층 2개를 만든다.

2) 마찬가지로 글루건을 이용하여 20mm 스티리폼 흰 구 6개를 삼각형 모양으로 붙인다.

3) 육각형 모양 1층의 틈 위에 노란 공 삼각형 모양을 2층으로 글루건으로 고정한다.

4) 만들어 놓은 육각형 모양 3층을, 2층의 틈 위에 2층과 동일한 위치로 붙인다.

5) 완성된 육방 최밀 격자를 촬영하고, 꼭지점의 위치를 표시하여 칼로 잘라 6각 기둥의 단위 격자를 만든다.

6) 단위 격자의 사진을 촬영한 후, 격자 상수, 배위수, 단위 세포 부피와 입자 점유울을 구한다.

실험 4 면심 체밀 격자 만들기 (fcp)

1) 20mm 흰 공 6개를 삼각형 모양으로 붙여 2층을 만든다.

2) 또 다른 20mm 흰공 6개를 삼각형 모양으로 붙여 3층도 만들고, 글루건을 이용하여 공으로 만든 2층의 틈 위에 얹어 서로 60도 어긋나게 붙인다.

3) 만든 두 층의 맨 아래와 위의 가운데 틈에 20mm 흰 공을 한 개씩 붙여 1층과 4층을 만든다.

4) 결정 격자를 돌리면서 면심 입방 구조가 되는 방향을 알아본다. 격자를 촬영하고 꼭지점의 위치를 표시하여 칼로 잘라 단위 격자를 만든다.

5) 격자 상수, 배위수, 단위 세포 부피와 입자 점유율을 구한다.

4. Data & Results

1) 결정 격자와 단위 격자

2) 단위격자 안의 총 원자수

3) 배위수 

4) 입자점유율 (스티로폼 구의 반지름 $r_1=22mm$)

5. Discussion

이번 실험을 통해서 이론상으로 생각했던 금속의 결정 격자 구조와 단위 격자 구조를 살펴볼 수 있었다. 단위 격자에 존재하는 원자수와 단위 세포의 부피 사이의 관계를 이용해서 입자 점유율을 구해볼 수 있었다. 단순 입방이 가장 수치가 작게 나타났으며, 그 다음으로는 체심 입방이, 그리고 면심 입방과 육방 최밀 구조가 같은 수치로 가장 높은 입자 점유율을 보였다. 면심 입방 구조와 육방 최밀 구조가 배위수와 입자점유일이 같은 것으로 보아 입방 격자 구조를 갖는 금속 중 가장 조밀하게 쌓은 구조는 면심 입방 구조이며, 육방 격자 구조를 갖는 금속 중 가장 조밀하게 쌓은 구조는 육방 최밀 구조인 것을 생각해볼 수 있다. 한편, 금속 결합 구조를 통해서 여러가지 질문들에 대해서 생각해볼 수 있다.

질문 1 금속 결정이 서로 다른 구조를 가지게 되는 가장 큰 이유와, 특히 어떤 종류의 금속이 체심 입방 구조를 하며, 이 금속들의 특징은 무엇인가?

금속 결정은 각 금속이 갖는 반지름의 크기에 영향을 가장 많이 받는다. 금속들이 조밀하게 쌓이려고 해도 해당 원자의 반지름이 충분히 크다면 기대한 조밀 구조를 쌓을 수 없기 때문이다. 보다 확장하여 이온 결합 결정의 경우, 양이온과 음이온의 비율에 따라서 체심 입방 혹은 면심 입방 구조 등이 결정될 정도로, 결정을 구성하는 원자의 크기가 금속 결정이 다른 구조를 갖게 영향을 미친다.

체심 입방 구조는 단위 세포의 중심에 금속 원자 하나를 온전히 갖고 있다는 것에서 다른 단위 세포들과는 구분이 되는 특징을 가지고 있고, 이에 따라 배위수가 8로 확인된다. 또한 각 꼭짓점 에도 원자가 채워져 있으므로 중심에 배치된 원자도 함께 고려하면 한 단위 세포에 원자 2개가 채워져 있는 것을 알 수 있다. 체심 입방 구조를 갖는 금속들의 종류는 다양하지만 대표적으로 1족 금속에 해당하는 알칼리 금속이 체심 입방 구조를 갖는다. 이는 대부분의 고체들이 최밀 구조를 갖는 것과는 다른 경향성을 갖는다. 이는 다른 금속들에 비해서 단위 격자 사이에 빈 공간을 많이 갖게 되어 다른 금속들과 비교했을 때 밀도가 작은 것을 관찰할 수 있다. 그리고 알칼리 금속은 같은 주기에서 가장 원자 반지름이 크므로 그만큼 결합력이 약해진다. 그래서 같은 구조를 갖는 금속들과도 비교했을 때에도 더 물고 낮은 녹는점을 갖는 것을 알 수 있다. 또한 체심 입방 구조를 갖는 알칼리 금속들의 단면은 광택을 보이는데, 이는 금속 결합에 의해서 관찰되는 자유전자 때문이다. 자유 전자는 가시광선의 대부분을 반사하기 때문이다. 다만, 1족에 속하는 금속들은 반응성이 매우 커서 광택이 나는 단면은 매우 짧은 시간 동안에만 관찰이 가능하다.

질문 2 단순 입방 구조는 자연계에서 발견하기 어렵고, 폴로늄(Po)만이 이 구조를 갖는다. 단순 입방 구조의 안정성이 낮은 이유를 설명하시오.

금속 원자들은 최대한 조밀하게 충진되려고 한다. 같은 종류의 원소로 되어 있기에 원자 반지름이 모두 같을 수 있기 때문이며, 가장 인접한 원자와의 거리가 최소가 되어야 결합에너지를 낮추어 안정해질 수 있기 때문이다. 그리고 조밀하게 쌓여야 금속 원자가 갖는 양이온들을 전자구름이 충분히 가려주어 전기적으로 중성으로 만들어 줄 수 있기 때문이다. 하지만 단순 입방 구조는 각 원자들이 결합에 관여한다고 했을 때 가장 멀리 떨어져 있는 결합 형태를 보인다. 즉, 결합에너지가 낮아지지 못해서, 원자핵 사이의 반발력을 감당할만한 전기적 인력을 형성하기 힘들기 때문에 결합에너지가 최소값을 갖기 않게 되며, 이는 물질이 불안정해 쉽게 붕괴될 수 있음을 설명한다.

질문 3 금속 결합을 설명하는 분자 오비탈 이론에서 결합 오비탈과 반결합 오비탈들이 수평으로 존재하는 것이 아니라 에너지 준위차가 작은 띠로 존재하는 이유를 결정격자구조로 설명하시오.

금속 결합을 설명하는 방법에는 2가지가 있다. 첫 번째로는 전자 바다 모형으로 금속 결합을 설명하는 것인데, 이 이론으로는 금속 결합의 세기가 원자수에 비례해서 증가하다가 다시 감소하는 현상을 보이지 못하기 때문에 분자 오비탈을 이용한 설명이 요구된다. 금속들은 결정 격자에 따라서 매우 규칙적이고 반복적인 구조를 갖게 된다. 이 때문에 분자 오비탈 사이에서 특별한 성질이 관찰된다. 위의 그림을 통해 살펴보도록 하자. 하나의 금속만 존재할 때의 전자배치와 달리, 금속들이 규칙적인 배치를 가지며 결합을 진행하게 되면, 결합 오비탈과 반결합 오비탈 사이의 간격이 점차 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 실제 금속은 결정 격자 내에서 무수히 많은 수의 금속이 배치되어 있으며, 이 금속들의 오비탈들을 모두 고려하면 그 간격이 매우 작아서 마치 하나의 띠처럼 오비탈 전자 배치가 형성되는 것을 확인할 수 있다. 이를 보고 고체의 띠 이론이라고도 한다.

6. Reference

1) 대한화학회, 표준 일반화학실험 제 7판, 천문각, 2011, pp. 305~310

2) Brown 외 5인 및 화학교재연구회 옮김, 일반화학 제 14판, Pearson 및 자유아카데미, 2019, pp. 432~455

실험 결과 해석을 위해 필요한 개념

단위 세포와 결정 격자

금속성 고체의 결정 구조

1. Chemicals & Apparatus

1) Chemicals

2) Apparatus

피펫(pipett), spatula, culture tube, 100mL 눈금 실린더, beaker, funnel, test tube, 분무기, 면봉, 종이, 채혈기, 뷰렛 또는 유리관

2. Procedure

실험 1 화학 발광 (Chemiluminescent Oscillation)

1) 용액 A, B, C 그리고 D를 각각 15mL씩 100mL 비커에 넣고 물 중탕으로 가열한다.

2) 실험실의 빛을 모두 소멸시킨 뒤 beaker에서 일어나는 일을 관찰한다.

<준비 용액>

용액 A: 0.50M H2O2 (15% H2O2)

용액 B: 0.15M KSCN

용액 C: 6.00810-4M CuSO4

용액 D: 0.100M NaOH + 3.7*10-3M luminol

실험 2 루미놀을 이용한 혈흔 검사법

1) 10mg의 루미놀(luminol), 0.5g의 탄산나트륨(sodium carbonate)를 100mL 비커에 넣고 10mL 증류수에 녹인 후 15% H2O2 5mL를 넣고 잘 섞는다.

2) 위에서 만든 용액을 스프레이식 분무기에 넣는다.

3) 채혈기를 이용해 미량의 혈액을 작은 test tube에 취한 후 1~2mL의 증류수로 묽히고 모세관을 이용해 종이 위에 묽힌 혈액으로 그림, 글씨 등을 그리고 잘 말린다.

* 농도가 너무 묽으면 확인이 어려우므로 약간 진하게 표시한다.

4) 실험실의 빛을 모두 소멸시킨 뒤 luminol 용액이 담긴 분무기로 용액을 뿌린 다음 일어나는 현상을 관찰한다.

3. Data & Result

4. Discussion

실험 1 루미놀 반응 실험 진행 및 결과 분석

대표적인 화학 발광 반응을 관찰하기 위해서 루미놀 반응을 이용했다. 제공받은 실험 순서에서는 루미놀 용액을 직접 만들고 채혈기를 이용해서 실험을 진행하지만, 실제 실험에서는 만들어져 있는 루미놀 용액을 사용했으며, 이미 추출된 돼지 혈액을 사용했다. 혈액 속에 포함되어 있는 철 이온은 루미놀 반응이 더 빨리 진행할 수 있도록 도와준다. 뿐만 아니라 루미놀 용액을 제조할 때 같이 섞어주는 시료들이 왜 사용이 되어야 하는지 등을 루미놀 반응 메커니즘을 살펴보자.

① 루미놀 용액을 만들기 위해 넣어준 탄산나트륨(Na2CO3)은 이온결합 물질이기 때문에 나트륨 이온과 탄산 이온으로 쉽게 분해된다. 하지만, 탄산 이온이 약산인 탄산에서 유래한 이온이므로, 염의 가수분해 현상에 따라 탄산 이온이 물과 반응하여 해당 용액은 염기성이 된다.

염기성 용액에 포함되어 있는 수산화이온과 루미놀을 구성하는 수소원자가 반응하여 루미놀은 두 개의 수소원자를 잃어버리게 된다. 그 결과 질소 원자들은 전기적으로 음성을 띠는 중간체가 형성된다. ② 산소의 전기음성도가 질소가 보이는 수치보다 더 크다. 그래서 질소 원자에 분포되어 있던 전자가 양 끝에 놓여있는 산소로 이동한다. ③ 과산화수소는 물과 산소를 합쳐 제조한 것이기 때문에 분해 반응이 진행되면 물과 산소를 생성물로 갖는다. 하지만, 과산화수소의 분해 반응은 실온에서 잘 진행되지 않으며 이 현상을 관찰하기 위해서는 촉매가 필요하다. 혈흔 검사에서는 혈액 속 헴 구조에 포함된 철 이온이 촉매로 작용을 하여 과산화수소 분해 반응이 진행된다. 그 결과 생성된 산소가 루미놀 중간체와 반응하며 산화-환원 반응이 진행된다. 그 결과 질소 원자에 산소가 결합한 중간체가 형성되는 데 이 물질은 매우 불안정하다. 그래서 질소 원자를 기체의 형태로 내보내며 비교적 안정한 형태를 유지하려고 한다. 그 결과 완전히 안정하지는 않지만 산소가 삼중항 상태에 놓인 중간물을 얻게 된다. ④ 이 과정에서는 계간 교차가 발생하여 물질의 에너지 준위 상태가 변한다. 산소는 상온에서 삼중항 상태($T_1$)로 놓일 수 있으며, 이는 금지 전이를 통해서 단일항 들뜬 상태($S_1$) 로 이동할 수 있다. 물론 이 반응은 금지전이이므로 발생할 확률이 적을 수 있으나, 이는 완전히 발생하지 않는다는 것을 뜻하지는 않는다. 삼중항 상태가 단일항 들뜬 상태보다 더 낮은 에너지 준위를 가지므로 이 과정에서 스핀 다중도가 변하는 전자 전이가 발생하였다 하더라도 방출되는 빛을 관찰할 수는 없다. 만약 흡수 스펙트럼을 관찰한다면 해당 에너지 차이만큼의 빛이 흡수되는 것을 관찰할 수는 있을 것이다. ⑤ 단일항 들뜬 상태에 놓여있는 물질은 그 상태를 유지할 수 있는 시간이 매우 짧기 때문에 바닥 상태로 내려오게 되며, 이때 에너지를 방출한다. 들뜬 루미놀이 방출하는 에너지의 형태는 빛이며 $S_1$에서 $S_0$으로 에너지 준위가 변화는 과정을 수반하므로 형광 스펙트럼을 얻을 수 있다. 실제로 얻은 실험 결과 에서 확인할 수 있듯 청백색의 파장을 확인할 수 있으며, 이는 형광을 방출하는 것을 의미한다. 해당 그림을 자세하게 보면 혈액으로 모양을 만든 부분을 제외한 다른 부분에서도 형광이 관찰된다. 즉 루미놀 반응은 몇 가지 한계점을 갖고 있음을 알 수 있다. 우선, 루미놀 용액을 사용 직전에 만들어야 정확한 결과를 얻을 수 있다. 이번 실험에 한정하여 루미놀 반응이 진행되기 위해서는 산소 등 산화-환원 반응이 진행할 수 있도록 하는 물질이 필요하다. 이번 실험에서는 이를 위해서 과산화수소의 분해 반응을 이용하나, 과산화수소 분해반응이 느리다는 것과 자발적이라는 것은 별개의 문제이다. 루미놀 용액이 오래전에 만들어졌다면, 혈액 등 촉매와 반응하지 않더라도 내부에서 산화 환원 반응이 진행되어 혈흔의 유무와 관계없이 루미놀 용액 그 자체만으로도 화학 발광이 진행될 수 있다. 또한 루미놀 반응을 통해 얻은 형광이 무조건 혈액에 의해서 진행되지 않으며, 과산화수소 분해 반응을 촉진하는 촉매가 포함된 물질에 의한 결과일 수 있다. 루미놀 반응이 혈흔 검사에 주로 사용되는 이유는 혈액에 들어있는 헴 구조 중 철 이온이 과산화수소 분해 촉매로 작용하여 충분한 산화 환원 반응을 진행시키기 때문이다. 그렇다면 철 이온이 아닌 과산화수소 분해의 촉매인 아이오딘화 칼륨(KI) 용액, 과망가니즈산(MnO2) 용액 등에 루미놀 용액을 넣는다면 마찬가지로 과산화수소 분해 반응이 촉진되어 형광을 관찰할 수 있을 것이다. 이 두가지 한계 때문에 루미놀 반응은 혈액의 유무를 따지는 필요조건이며, 이것이 실제 혈액인지는 추가적인 검사를 요구한다.

실험 2 화학발광 실험의 이해 및 원리

진동 반응은 완전히 평형에 도달하지 않고, 반응지수가 평형 상수보다 크고 작은 상태를 계속해서 반복하는 주기적 반응을 뜻한다. 이번 실험에서 진행한 실험에 대한 현상을 먼저 이해하기 전, 루미놀이 제외된 H2O2-KSCN-CuSO4-NaOH의 진동 반응에 대해서 간단하게 살펴볼 필요가 있다. 해당 진동 반응은 NaOH에 의한 염기 상태 하에서 H2O2-KSCN와 H2O2-CuSO4 사이의 피드백 네트워크에 의하여 진동 반응이 발생한다. 그 결과로 용액의 색 변화, 과산소이온(O2-)의 용해도 변화, 그리고 전위 사이의 변화가 수반된다. 다만, 루미놀이 이 진동계에 첨가되면 보이는 현상이 약간 변화한다. 우선 루미놀의 화학 발광에 의해서 빛이 주기적으로 방출될 수 있다. 앞서 살펴본 루미놀 반응 메커니즘을 이용해서 설명해보도록 하자. 루미놀이 염기성 용액에 놓이면 전하를 갖게 된다. 그리고 산화-환원 반응을 거쳐서 발광을 하게 된다. 해당 진동계에서 과산화수소 분해가 촉매인 황산 구리에 의해서 분해될 때 형성되는 중간체 HO2-Cu(Ⅰ)와 과산소이온 O2-이 해당 산화 환원 반응에 기인한다.

그림 9를 살펴보면 산화-환원 반응에 기인하는 물질들이 서로 증감이 반대로 배치된 것을 확인할 수 있다. 즉, 주기적으로 산화 환원 반응이 진행되어 발광 형태도 주기적으로 발생할 수 있음을 뜻한다. 발광의 주기성 뿐만 아니라 용액 자체의 색 변화에도 변화가 생기는 데, 루미놀이 추가되면 루미놀이 수산화이온과 반응하여 어두운 보라빛을 띠는 중간체를 형성하기 때문에 용액의 색변화가 노란색-무색 관계에서 노란색-어두운 보라색 관계로 변화한다. 한편, 진동 반응이 계속 진행되면서 루미놀이 계속 반응에 참여하기 때문에 진동이 진행될수록 관찰되는 빛의 세기는 약해지고, 반응도 점점 평형에 다다른다. 이 과정을 보다 정확하게 관찰하려고 했으면, 결과 사진으로 형광을 보이는 사진이 아닌 동영상을 촬영하는 것이 도움이 더 되었을 것이다. 그리고 발광 현상 말고, 용액 자체의 색 변화도 관찰하기 위해서 빛을 끄지 않은 상태에서 실험을 진행하여 그 결과를 관찰하는 것도 도움이 되었을 것이다. 그리로 반응계의 농도가 한쪽으로 치우치지 않도록 stirring bar를 이용해서 혼합한 용액을 섞는 것이 더 나은 실험 결과를 얻는 데 도움이 되었을 것이다.

5. Reference

1. 박종진 외 2인, 광화학의 이해, 자유아카데미, 2011, pp. 3~10, 19~33, 35~40, 45~46, 61~67

2. 대한화학회, 표준 일반화학실험 제 7판, 천문각, 2011, pp. 89~95

3. Simeen Stattar 외 1인, Interaction of Luminol with the Oscillating system H2O2-KSCN-CuSO4-NaOH, 1990, 275~277

4. Supavadee Kiatisevi 외 1인, Study of the oscillation and luminol chemiluminescence in the H2O2-KSCN-CuSO4-NaOH system, 2010, 173~177

5. Hernan E. Prypsztein, Chemiluminescent Oscillating Demonstrations: The Chemical Buoy, the Lighting Wave, and the Ghostly Cylinder, 2005, 53~54

실험 결과 해석을 위해 필요한 개념

분자 오비탈

전자 배치

바닥 상태와 들뜬 상태의 스핀 다중도

화학 발광과 화학 진동

복사 과정과 비복사 과정

혈액의 조성과 루미놀 시험

1. Introduction

이번 실험에서는 다양한 종류의 전기영동 방법 중 gel을 쉽게 만들 수 있는 Agarose gel 전기 영동을 이용해서 주어진 Sample DNA를 분리하도록 했다. 우선 전기영동에서 고정상으로 사용할 gel을 합성하려고 Agarose와 1x TAE buffer 25mL를 혼합했다. 이동상으로도 같은 buffer를 사용하는데, 적당히 pH를 조절해서 DNA가 해리되는 것을 방지하며, Tris base로 DNA가 이동할 수 있는 양이온이 제공되며, EDTA로 금속이온을 제거해서 DNA가 손상되는 것을 막을 수 있기 때문이다. TBE buffer으로도 gel을 합성할 수는 있었지만 분해능이 TAE보다 약하므로, 이동상과의 화학적 성질의 차이를 최소화하기 위해서 TAE buffer를 용매로 사용했다. Agarose를 모두 녹이기 위해서 전자레인지를 사용했다. 전자레인지를 사용하게 되면 고립된 공간에서 빠르게 열을 발생시키기 때문에 Agarose를 빠르게 용해할 수 있으나, 갑작스럽게 끓어오르는 것을 방지하기 위하여 랩을 씌운 후 구멍을 조금 뚫어서 빠른 용해와 끓어오름을 방지했다. DNA의 전개 정도를 뚜렷하게 관찰하기 위해서 이번 실험에서는 UV-trans illuminator을 사용한다. EtBr은 뉴클레오타이드 사이의 수소결합에 관여하여 형광정도를 크게 증가하도록 할 수 있다. 이 물질을 gel을 합성할 때 같이 섞어주면 DNA가 전기영동 시 이동하면서 gel에 들어있는 EtBr과 반응할 수 있기 때문에 gel에 섞어주곤 한다. 하지만, 이 물질은 독성이 있으며 DNA의 이동에 영향을 줄 수 있으므로 대체 물질인 RedSafe를 gel을 합성할 때 섞어주었다. 이를 넣기 위해서 micropipette을 사용하는데, 정확한 양을 옮기도록 했기 때문이며 소개된 사용 방법을 따라서 시약을 옮겨 넣었다. 용액을 굳혀 gel을 만들기 위해서 Gel casting plate에 기포가 생기지 않도록 gel을 부었다. 그리고 gel을 넣을 때 tray와 gel casting plate 사이에 공간이 발생하여 합성 중 기포가 발생해 gel에 섞여 들어갈 수 있으므로 이를 방지하기 위해서 둘을 밀착시켜 남은 기포를 제거했다. 그리고 불순물과 같은 먼지를 tip을 이용해서 제거해서 최대한 순수한 gel로 굳히고자 했다. 후에 Loading시 시료를 넣을 자리를 만들기 위해서 Comb를 꽂은 후 gel을 식혀 굳혔다. gel이 완성되면 전기영동을 진행하기 위해서 gel box에 넣는다. 이때 DNA가 전기적으로 음성임을 고려해서 well을 음극을 향하게 배치하여 전기영동시 DNA가 이동거리를 충분히 확보할 수 있도록 했다. 실제로 전기영동을 진행할 DNA는 너무 가볍기 때문에 그냥 well에 집어넣으면 buffer에 흘러나갈 수 있기 때문에 이를 방지하기 위해서 loading dye를 섞어준다. 다만 또 너무 무거운 물질이 포함된 dye는 전기 영동을 방해하기 때문에 큰 영향을 주지 않는 정도의 dye를 사용해야 한다. 그리고 dye를 이용해서 UV-trans illuminator을 사용하지 않고도 어느정도 전기 영동이 진행되었는지 판단하기 위해서 사용하기도 한다. e-tube에 sample과 loading dye를 섞기 위해서 tapping과정이 필요하며, 시료의 양이 매우 적으므로 약하게 혼합을 진행해야 한다. well이 찢어져서 gel을 다시 만들지 않도록 조심해서 well에 시료와, 전개된 정도에 따른 비교 및 DNA의 종류를 결정짓기 위해서 100bp plus ladder를 대조군으로 넣었다. 적당한 시간이 지난 후 실험 결과를 확인하기 위해서 UV-trans illuminator에 gel을 옮겼다. 이때 기포가 생기도록 gel을 놓으면 산란 현상 때문에 뚜렷한 결과를 확인하기 힘들기 때문에 이를 감안하여 기포가 생기지 않도록 조심하게 내려놓았다.

2. Chemicals & Apparatus

1) Chemicals

1x TAE buffer, 6x loading dye, DNA ladder, Agarose, DW(증류수), RedSafe

* nx 용액: 실험에서 사용하는 농도보다 n배 진한 용액

2) Apparatus

Gel box, Gel casting tray, Microwave, UV-trasn-illuminator, Erlenmeyer flask, Micropipette E-tube

3. Procedure

실험 1 Agarose Gel 만들기

1) 두 조당 하나의 gel을 사용한다.

2) Gel casting tray와 comb, 플라스크를 깨끗이 씻는다.

3) Agarose 0.25g과 1x TAE buffer 25mL를 100mL삼각 플라스크에 넣고 랩으로 막은 후 tip으로 구멍을 여러 개 뚫는다.

4) 45초 정도 데운 후 얼마나 녹았는지 확인한다. 이후 15~30초씩 데우면서 agarose가 완전히 녹을 때까지 데운다. 꺼내어 흔들었을 때 투명하고 작은 알갱이들도 다 녹여야 한다. 필요 이상으로 오래 데워서 물이 증발하면 농도가 진해져 영동 속도가 느려 진다.

* 플라스크가 뜨거우므로 목장갑을 사용한다.

5) 혼합용액에 RedSafe 1.3μL를 넣어준다.

6) Gel틀에 기포가 생기지 않게 천천히 용액을 부은 후 노란 tip 뒷부분으로 tray를 누르고 일정한 방향으로 밀어서 밑의 공기를 뺀 후 떠있는 기포도 모두 제거한다.

7) Comb를 꽂은 후 20~30분 정도 굳힌다.

* 플라스크에 남은 용액이 굳으면 씻어내기 까다로우니 바로 세척할 것

실험 2 Agarose gel Electrophoresis

1) 굳힌 gel의 well이 망가지지 않도록 조심스럽게 comb를 뽑고 tray채로 gel box에 넣는다. 이때, well이 (- )극을 향하도록 한다.

2) Gel box에 Gel이 잠길 정도로 1x TAE Buffer를 넣는다. (Tray 기준 빨간 점선 사이까지만 채우면 충분하다.)   

3) 새 e-tube에 준비된 DNA sample 3μL과 6x Loading Dye 0.6μL를 넣는다.

4) DNA는 충격에 약하므로 tapping하여 섞는다.

5) Well에 100bp plus ladder 4μL, sample 3μL씩 load한다. 팁으로 gel을 찢거나 뚫지 않도록 주의한다.

6) 20~30분 동안 Ful Voltage로 Gel Run을 진행한다.

실험 3 UV-trans illuminator로 결과 확인하기

1) Ethanol로 illuminator 위를 깨끗이 닦는다.

2) Ethanol이 마르면 젤을 cast에서 조심스럽게 떼어 illuminator에 올려놓는다. 이때 gel 아래에 공기가 들어가면 적당히 움직이거나 눌러 공기를 뺀다.

3) 덮개를 덮고 불을 끈 후 illuminator를 켜서 관찰한다.

4. Data & Result

5. Discussion

전기영동 실험의 결과는 크게 2가지로 해석할 수 있다. 첫 번째는 sample DNA가 이동하여 형성된 bend의 선명도 및 진행 경로 등을 보는 것이다. 그리고 두 번째는 각 시료와 ladder가 얼마나 진행하여 분리하고자 했던 시료가 어떤 물질에 해당하는 지 비교하는 것이다. 첫 번째 관점에서 실험 결과를 살펴보자. 그림 9에서 ladder와 sample A와 B 모두 형광색이 명확하게 발현되었음을 확인할 수 있다. 이를 통해서 전기 영동 장치에 전압이 적절히 걸려 있고, 첨가한 샘플의 양이 적절했으며, 실험과정 중 well이 잘 형성되었음을 알 수 있다. 두 번째 관점에서 실험 결과를 살펴보도록 하자. 원래는 ladder이 분리된 것을 기준으로 각 시료가 이동한 정도를 비교해서 사용한 시료 당 포함된 DNA의 질량 및 그 DNA의 염기쌍 포함 정도를 알 수 있다. 이번에 사용한 gel이 정확히 1.5% TAE Buffer Agarose gel은 아닌 것을 감안하더라도 그림 10과 그림 9의 ladder에서 나타난 band의 개수가 다르기 때문에 전기 영동이 충분히 이루어지지 않음을 확인할 수 있다. 물론 실험에서 사용한 sample A와 B와 비교해봤을 때 각각에 대응하는 band가 있다. 그러나 ladder가 정확하게 분리가 되지 않았기 때문에 염기쌍 및 DNA의 질량을 결정지을 수는 없다. 다만 Theory에서 소개한 Stokes 공식에 따라서 A와 B의 상대적인 정보의 평가만 가능할 뿐이다. Stroke식과 각 변수가 의미하는 바를 다시 정리해보자.

이때 같은 시간동안 전기 영동을 진행했으므로 각 시료가 이동한 거리와 속도가 비례하는 것을 이용할 수 있다. 그리고 같은 조건에서 전기영동을 진행했기 때문에 몇 가지 변수들은 모두 상수로, 거리에 차이가 발생하는 것에 영향을 주지 않을 수 있다. 이 변수들은 , 그리고 에 해당하여 상수로 표현된다. 따라서 각 시료의 이동 거리는 와 사이의 비율에 의하여 결정되는 것을 확인할 수 있다. 두 변수는 서로 비례관계에 놓여있기 때문에 정확한 수치적 비교는 할 수 없다. 다만 더 많은 거리를 이동한 sample A가 sample B보다 크기에 비해서 더 음의 전하를 나타내는 것 밖에 얻어낼 수 없다.

6. Reference

1) 강호일, 전기영동 최신 프로토콜, 월드사이언스, 2006, pp. 14~25

실험 결과 해석을 위해 필요한 개념

DNA의 구성 및 구조

전기영동의 개념과 물질 이동 속도 결정

전기영동의 종류

Gel loading dye

1. Introduction

이번 실험에서는 철 착화합물을 합성하고, 광화학 반응에 대해 생각해보며, 청사진도 만들어본다. 이를 위해 철 착화합물 $K_3[Fe(C_2O_4)_3]\cdot 3H_2O$의 합성을 살펴볼 필요가 있다.

1) $K_3[Fe(C_2O_4)_3]\cdot 3H_2O$의 합성

해당 착화합물을 합성하기 위해서 물을 리간드로 갖는 옥살산칼륨 모노수화물과 염화철 육수화물을 반응에 참여시킨다. 두 물질은 녹는점이 비교적 높기 때문에 실온에서 고체형태로 존재한다. 하지만 고체 상태의 물질은 반응이 잘 일어나지 않으므로, 두 물질을 물에 용해시킨 후 반응하도록 해야 한다. 옥살산칼륨 모누수화물과 염화철 육수화물의 물에 대한 용해도는 상온에서 각각 36.4/100g, 91.2g/100g이다. 염화철의 용해도는 비교적 높아 상온에서도 적당한 물을 이용하면 모두 녹일 수 있다. 하지만, 옥살산칼륨의 경우 그렇지 않기 때문에 비교적 많은 양의 물이 필요하다. 하지만, 물의 양이 많아질수록 재결정시 결정들이 서로 충돌하여 응집되기 어렵기 때문에 수득율이 낮아진다. 이를 방지하기 위해서 일반적인 고체가 온도가 증가할수록 용해가 더 잘된다는 특성을 이용해서 물을 최소한으로 사용한다. 각 시료를 포함한 용액을 섞으면 다음 반응이 발생한다.

반응이 끝나고 재결정 원리를 이용해서 얻고자 하는 착화합물을 결정형태로 얻는다. 이때 이 물질은 빛에 의해서 광반응이 발생할 수 있기 때문에 은박지로 빛을 차단하고 재결정을 진행한다.

합성된 물질은 오븐에서 건조한 후 무게를 측정하여 이론적으로 얻을 수 있는 물질의 양과 비교했을 때 수득율을 구할 수 있다.

반응 계수를 고려하면 한계반응물은 $FeCl_3\cdot6H_2O$이며, 생성된 $K_3[Fe(C_2O_4)_3]\cdot 3H_2O$의 몰수는 $1.6\times10^{-2} mol$임을 알 수 있다. 한편, 수득률을 구하기 위해 착화합물의 분자량 수치를 이용해 몰을 질량으로 바꿔표현할 수 있다.

이를 실제 수득된 양과 비교해서 수득율을 계산해볼 수 있다.

2) $K_3[Fe(C_2O_4)_3]\cdot 3H_2O$의 광반응 메커니즘 + 3) 턴불블루 형성 반응

$[Fe^{(+3)}(C_2O_4)_3]^{3-}$은 235~577nm 파장 (대략 가시광선 영역)에 대해서 민감한 반응을 보이며 빛을 받으면 다음 반응 메커니즘을 보이며 $Fe^{{+3}}$이 $Fe^{{+2}}$ 으로 환원되는 것을 확인할 수 있다. 메커니즘과 그 결과를 살펴보자.

전체 반응은 아래와 같다.

빛이 결국 반응물로써 반응에 관여하기 때문에 빛을 쪼여주는 시간에 비례하여 반응이 진행될 것이다. 이를 위해서 빛을 쪼이지 않는 대조군과 2분, 그리고 10분 동안 빛을 쪼인다면 생성된 $Fe^{2+}$ 양이 다를 것이다. 실험 2)를 통해서 환원된 $Fe^{2+}$ 의 생성 여부는 다양한 방법으로 확인할 수 있다. 그 중에서 가장 대표적인 방법인 턴불 블루(Turnbull’s bule)형성 반응이다. 이 반응은 착화합물 $K_3[Fe(CN)_6]$과 $Fe^{2+}$이 진한 청색의 물질을 만들어낸다. 

2. Chemicals & Apparatus

1) Chemicals

2) Apparatus

저울, 오븐, Hot plate, 비커, 눈금실린더, 삼각 플라스크, pipette, 시계 접시(또는 Petri Dish), 시험관 3개, Spatula, 유리막대, 뷰흐너 깔때기, aspirator, 여과지, 은박지

3. Procedure

실험 1 $K_3[Fe(C_2O_4)_3]\cdot 3H_2O$의 합성

1) 4.4g의 FeCl3·6H2O의 무게를 측정해서 100mL 비커에 넣고, 5~6mL의 찬 증류수와 stirring bar를 넣어 녹인다.

2) 9g의 K2C2O4·H2O의 무게를 측정해서 50mL 삼각 플라스크에 넣고, 15mL의 증류수와 stirring bar를 넣고 녹을 때까지 물 중탕하면서 가열한다.

3) FeCl3·6H2O의 용액에 뜨거운 K2C2O4·H2O를 가하고 녹여준다.

4) 은박지로 싸서 빛을 차단하고 얼음(또는 찬물)에 비커를 두어 결정이 생길 때까지 기다린다. 최소 15분 이상 기다린다.

5) 결정화된 생성물을 감압 장치를 이용해서 거르고, 침전물을 아세톤으로 씻어서 건조한다. 유리막대로 모두 모아 여과지 위에 놓는다.

6) 80℃ 오븐에서 10분 정도 건조 후, 무게를 측정하여 수득율(%)을 구한다. 그 다음 바로 실험 2를 진행한다.

실험 2 $K_3[Fe(C_2O_4)_3]\cdot 3H_2O$의 광반응

1) 실험 1에서 만든 K3[Fe(C2O4)3]·3H2O 0.7g을 250mL 삼각 플라스크에 넣고, 100mL의 증류수와 2M H2SO4를 첨가하고 잘 섞는다. 이때 황산 용액은 은박지로 빛을 차단한 후 넣는다.

2) 실험관 가, 나, 그리고 다를 준비해서 각각 실험 3-1에서 만든 용액을 각각 10mL씩 넣는다.

가: 은박지로 바로 빛을 차단

나: 2분간 빛을 쪼인 후 은박지로 빛을 차단. (휴대폰 사용)

다: 10분간 빛을 쪼인 후 은박지로 빛을 차단. (휴대폰 사용)

3) 각 시험관에 1mL의 0.1M K3Fe(CN)6 용액을 가하고 변화를 관찰한다. 변화가 충분히 발생했다고 판단되면 변화한 3가지 시험관의 사진을 촬영한다.

실험 3 $K_3[Fe(C_2O_4)_3]\cdot 3H_2O$의 청사진

1) 실험 2에서 이미 제조한 K3[Fe(C2O4)3]·3H2O 남은 용액을 시계접시 (혹은 Petri dish)에 붓고, 이 용액에 여과지를 적신 후 10분간 말린다.

2) 건조된 여과지 위에 원하는 모양으로 만들기 위해서 본인의 열쇠나 은박지를 씌운 물체를 올리고 그 위에서 빛(휴대폰)을 10분 정도 쪼인다.

3) 건조한 여과지를 0.1M K3Fe(CN)6용액을 담아둔 시계접시 (Petri dish) 위에 넣어 이 용액으로 적신 후, 증류수로 씻는다. 이때 노란색 부분이 씻기는 것을 확인할 수 있다.

4) 관찰 결과를 사진으로 촬영한다.

4. Data & Results

실험 1 $K_3[Fe(C_2O_4)_3]\cdot 3H_2O$의 수득률

실험 2 $K_3[Fe(C_2O_4)_3]\cdot 3H_2O$의 광반응

실험 3 $K_3[Fe(C_2O_4)_3]\cdot 3H_2O$의 청사진

5. Discussion

1) 실험 과정 고찰

이번 실험은 광반응에 사용할 물질을 재결정으로 합성하고 광반응을 이용해서 생성된 물질의 양을 정성적으로 비교하고, 이 원리를 이용해서 청사진을 직접 만들어보는 것을 목표로 한다. 합성할 착화합물을 고체 시료로부터 합성할 수 없으므로 반응물에 해당하는 시료들을 우선 물에 용해시켰다. 유리기구는 흡착성이 좋기 때문에 두 시료를 용해할 때 물을 먼저 넣고 그 다음에 시료를 섞어서 손실되는 양을 최소화했다. 그리고 각 시료의 용매를 최소화해서 반응 정도를 높여 수득률을 최대화했다. FeCl3·6H2O은 중탕을 이용하지 않고 용해했다. 끓는 점이 35℃로 비교적 낮은 편이었기 때문이다. 이때 중탕을 하게 되면 시료가 용해되는 것이 아니라 액체 상태로 바뀌어서 원하고자 했던 반응을 얻을 수 없기 때문이다. 입자들이 서로 뭉쳐서 덩어리의 형태로 있었기 때문에 stirring bar 등을 이용해서 입자의 크기를 작게 하면서 용해를 진행했다. 반면 K2C2O4·H2O는 끓는점이 높고 물에 대한 용해도가 낮았기 때문에 물에 중탕을 해서 녹이고자 했다. 시료의 부피가 꽤 컸기 때문에 중탕에 사용되는 물의 양을 최소화해서 stirring 기계에 최대한 가까이 붙여서 용액이 잘 형성되도록 도왔다. 두 용액을 섞으면 용액의 색이 변하는 것을 확인할 수 있다. 이는 다음 반응이 발생하기 때문이다.

용해된 상태의 K3(Fe(C2O4)3)∙3H2O를 다시 결정형태로 얻기 위해서 온도에 따른 용해도 차이 원리를 이용했다. 이 착화합물을 포함한 고체는 온도가 감소하면 용해도도 같이 감소하기 때문에 용해된 물질과 용해도에서 녹일 수 있는 물질의 차이만큼 화합물을 수득할 수 있기 때문이다. 이를 위해서 얼음에 혼합 용액을 두어야 하는데, 생성된 물질이 빛을 받으면 환원되어 $[Fe^{(2+)}(C_2O_4)_2]^{2-}$로 변할 수 있기 때문에 이를 방지하기 위해서 바닥을 포함한 비커를 모두 은박지로 감싸서 빛을 차단했다.

은박지는 빛을 흡수하지 않고 쉽게 빛을 반사할 수 있는 특성을 갖기 때문이다. 충분히 결정화 되도록 시간이 흐른 후 감압 여과장치를 이용해서 결정화된 물질을 수득했다. 그리고 미처 반응에 참여하지 못한 물질들을 씻어내기 위해서 아세톤을 사용했다. 아세톤은 한 분자에 대하여 중심 원자를 기준으로 극성인 부분과 비극성인 부분이 차지하는 비율이 서로 비슷하다. 그래서 극성, 비극성 용질 둘 다 용해할 수 있기 때문에 생성물인 염화 칼륨을 비롯해 다른 물질들을 모두 용해하는 데 유리하기 때문에 사용했다. 수득률을 계산하려면 수분이 없어야 하므로 이를 위해서 오븐에서 건조를 충분히 한 뒤 수득한 결정의 질량을 측정했다.

두 번째 실험에서는 광반응을 통해서 $Fe^{(3+)}$이 $Fe^{(2+)}$로 환원된 정도를 턴불블루 합성 반응을 이용해서 정성적으로 확인해보고자 한 것이다. 앞서 과정과 마찬가지로 합성된 물질이 고체상태에 있으면 반응하기 힘들기 때문에 다시 물에 용해를 시켰다. 다만, 용해를 시켜 이온상태가 된다면 빛과 반응할 수 있기 때문에 마찬가지로 은박지로 빛을 유입을 최대한 제거한 후 실험을 용해과정을 거쳤다. 그리고 후에 턴불블루 합성이 더 잘되도록 황산을 촉매로 약간 첨가했다. 합성되는 정도를 확인하기 위해서 대조군으로 빛을 거의 쪼이지 않은 용액과 각각 2분과 10분동안 빛을 쪼인 세 그룹으로 나누었다. 용액의 색은 물질의 농도, 그리고 용액이라면 용액의 부피에 의해서 달라 보일 수 있기 때문에 용액을 같은 부피로 나누어 넣었다. 빛을 쪼인 후 턴블 블루를 합성하기 위해서 각 용액에 같은 양의 K3Fe(CN)6 용액을 넣고 변화를 관찰했다. 용액을 넣으면 다음과 같은 반응이 발생하게 된다.

마지막 실험에서는 두 번째 실험에서 이용했던 광반응을 이용해서 얻고자 하는 그림을 얻는 청사진을 만들었다. 이 실험도 마찬가지로 광반응에서 빛이 하나의 반응물처럼 관여할 수 있음을 이용해서 실험을 진행했다. 광반응이 진행될 수 있는 물질들이 주어졌더라도 빛을 받지 못하면 반 응이 진행되지 않기 때문이다. 따라서 얻고자 하는 물질은 은박지를 이용해서 만들고 광반응을 진행했다. 그러면 다음과 같은 결과물을 얻을 수 있다. 노란색 물질을 제거하기 위해서 0.1M K3Fe(CN)6용액에 해당 거름종이를 넣어주면 턴불 블루 합성이 진행되면서 증류수로 씻어주면 청사진을 얻을 수 있다.

2) 실험 결과 분석, 오차 및 한계점

첫번째 실험을 통해서 얻은 착화합물은 연두색을 보인다. 이는 착물의 갖는 갈라진 오비탈 영역이 연두색 계열과 보색을 갖는 색을 흡수할 수 있는 정도로 벌어져 있음을 예상할 수 있었다. 형성된 착화합물의 질량에 대해서 수득률을 계산하면 97%로 꽤 많은 양의 물질을 수득한 것을 알 수 있다. 하지만 질량에 대한 수득률을 계산한 것이므로 이 수득률 결과에는 몇 가지 한계점이 존재한다. 우선 저울의 문제로 실제로 질량이 정확하게 측정되지 않았을 수 있다. 그리고 건조가 완벽하게 진행되지 않았을 수 있다. 또한 아세톤을 이용해서 세척을 하더라도 이는 공기 중에 있던 먼지 같은 물질들은 씻어내지 못하기 때문에 질량 측정 시 포함이 되었을 수 있다. 그리고 아세톤을 이용해서 세척을 진행할 때 생성된 착화합물이 다시 용해가 될 수도 있으며 용액 및 시료를 옮기는 과정에서 손실된 물질들이 존재할 수 있으므로 측정한 질량이 정확하다고는 할 수 없다. 정리하자면 측정한 물질이 오로지 순수한 착화합물인지 알 수 없기 때문에, 그리고 질량 측정에 영향을 미칠 수 있는 여러 불확정적 요소 때문에 실험 결과의 신빙성이 부족한 편이다.  

두 번째 실험 결과로 대조군과 비교했을 때 빛을 쪼이면 확실히 용액의 색이 변하는 것을 확인할 수 있으며 진한 푸른 색으로 변하는 것으로 보아 생성된 턴불 블루는 진한 청색을 나타내는 것을 알 수 있었다. 그리고 빛을 쪼이는 시간에 비례하여 용액의 색이 더 진해진 것을 보아 해다 광반응은 단순히 현상을 유발하는 것이 아닌 광자가 반응물처럼 개입하여 광반응이 정량적인 반응임을 알 수 있었다. 또한 턴불 블루의 색이 더 진한 청색인 것을 감안하면 결합에 의해 형성된 오비탈 사이의 거리가 더 가까운 것을 생각해볼 수 있다. 왜냐하면 나타난 색의 보색이 갖는 에너지가 착물이 흡수할 수 있는 에너지이기 때문이다. 진한 청색의 보색은 노랑, 연두색의 보색은 보라색이다. 가시광선 영역에 대해서 보라색 계통의 빛이 노랑색 계열의 빛보다 파장이 짧아 더 큰 에너지 값을 나타내기 때문이다. 아쉬운 점은 정량적인 결과를 보이지만 실제로 어느 정도가 변화했는지는 알 수 없다는 것이다. 이는 앞서 평형상수 결정 실험에서 사용했던 베르의 법칙과 비색법을 이용하면 농도에 대한 정보도 알 수 있을 것이다. 혹은 아연 아말감과 황산용액, 그리고 표준 KMnO4 용액을 이용한 적정을 통해서 환원된 철의 양을 계산해볼 수 있을 것이다.

마지막 청사진 관찰 실험에서는 의도했던 대로 은박지를 씌워둔 부분은 빛이 닿지 않아 턴불 블루가 형성되지 않아서 푸른색 물질이 형성되지 않은 것을 확인할 수 있으며, 빛을 받은 부분은 형성되어 의도했던 그림을 얻을 수 있었다. 만약 빛을 더 오랜 시간 쪼여주었다면 환원된 철 이온이 더 많이 얻어지게 되고 이는 더 진하고 명확한 청사진을 얻는데 도움이 될 것이다.

6. Reference

1. 대한화학회, 표준 일반화학실험 제 7판, 천문각, 2011, pp.

2. W.M. Haynes, CRC Handbook of Chemistry and Physics 97th edition, CRC, 2016, pp. 4-67, 4-80, 4-89

3. Brown 외 5인 및 화학교재연구회 옮김, 일반화학 제 14판, Pearson 및 자유아카데미, 2019, pp. 672~703, 1060~1069, 1071~1087

4. 박종진 외 2인, 광화학의 이해, 자유아카데미, 2011, pp. 3~11

실험 결과를 해석할 때 필요한 개념

착물과 착물의 발색

광화학 반응의 특성

1. Introduction

이번 실험에서는 전기 화학적 서열을 살펴보고, 이 결과를 기준으로 갈바니 전극에 대한 이해, 그리고 전기분해까지 설명을 하고자 한다. 이를 설명하기 위해서 우선, 실험에서 사용하는 금속 물질들의 표준 환원 전위를 알아보자.

1) 전기 화학적 서열

이 실험을 통해서 어떤 금속 물질이 더 산화가 잘되며, 어떤 금속 이온이 더 환원이 잘 되는지를 살펴볼 수 있다. 이 실험은 금속과 금속 이온 사이의 반응 결과를 분석한다. 어떤 금속과 금속 이온 사이에서 반응이 진행되었다면, 그 금속 이온이 금속의 형태를 띠고 있으려고 하는 것이며 이 현상은 이온이 더 환원이 잘 된다는 것을 뜻한다. 이 결과를 이용해서 세가지 금속과 그 금속들의 이온 형태를 조합해서 실험 결과를 조합하면 금속에 대해서는 더 산화가 잘되는 경향성을, 금속 이온에 대해서는 더 환원이 잘되는 경향성을 알 수 있다. 반응의 발생 여부는 용액의 색 변화, 금속에 붙은 물질이 있는지 여부에 대해서 관찰하는 등 쉽게 그 결과를 확인할 수 있다. 다만, 이를 확인하기 위해서 실험을 진행하기 전 우선 사포로 금속을 다듬은 후에 실험을 진행해야 한다.

한편, 표준 환원 전위를 이용하면 실험을 진행하지 않더라도 어떤 물질들이 더 잘 산화되고 어떤 금속 물질이 더 잘 환원이 되는지를 알 수 있다. 앞서 설명했지만, 표준 환원 전위가 더 큰 양의 값일수록 환원이 잘되며, 음의 값이라면 비교적 산화가 잘 일어남을 알 수 있다. 금속에 대해서 표준 환원 전위는 금속 이온이 전자를 받는 반응으로만 표현을 해야 한다. 그래서 표준 환원 전위를 이용해서 전기적 서열을 정하려면, 우선 금속 이온에 대해서 환원이 잘되는 경향성을 우선 나열하고, 금속에 대해서는 그 반대 순서로 산화가 더 잘된다고 생각할 수 있다. 구리가 +0.34V, 아연이 -0.76V, 그리고 납이 -0.13V를 나타내므로, 금속 이온에 대해서는 구리 이온, 납 이온, 그리고 아연 이온 순서로 환원이 잘 된다. 그러므로 금속에 대해 생각해보면 아연이 가장 산화가 잘되며, 그 다음으로는 납이 잘 발생하며, 구리가 이 둘에 비해 비교적 산화가 잘 안되는 것을 확인할 수 있다.

2) 화학 전지 실험 이해

이 실험에서는 앞서 살펴보았던 전기 화학적 서열과 표준 환원 전위를 이용해서 전지 전위 $E_{cell}$을 측정하는 실험을 진행한다. 이번 실험에서는 산화 전극 용액과 환원 전극 용액을 완전히 분리한 뒤 염다리를 이용해서 연결한다. 이는 액간 접촉 전위를 최소화해서 실험상 발생할 수 있는 오차를 최소화하려고 하기 때문에 사용한다. 제시된 Procedure에서 가운데 두 선이 염다리를 표현하는 것을 기준으로 왼쪽과 오른쪽에 상 경계를 기준으로 용액과 금속을 잘 넣는다. 그 후 발생한 전위차, 즉 전압을 측정한다. 일반적으로 염다리를 이용한 전지는 오른쪽에 환원이 되는 +전극을 왼쪽에는 산화가 되는 - 전극을 표현하며, 제공된 표기도 전기 화학적 서열을 고려하면 이에 부합하는 것을 알 수 있다. 이상적인 상황에서 전지 전위는 환원 전극의 표준 환원 전위와 산화 전극의 표준 환원 전위의 차를 이용하면 구할 수 있다.

하지만 실제 상황에서는 평형 상태에서 어느정도 벗어난 이온의 거동 경향성을 보일 수 있으며, 이는 과전극 현상을 일으키기 때문에 실제 작동하는 전지의 전압은 이론값보다 더 작게 측정되며, 그 오차에 대해서도 생각해볼 수 있다.

3) 전기분해와 도금

마지막 실험으로는 전기 분해를 이용해서 금속을 도금하는 것을 살펴본다. 전기분해는 자발적인 반응이 아니므로 전압을 직접 가해주어야 한다. 그렇기 때문에 전원 장치의 전극과 전기분해 장치의 전극을 잘 연결하는 것이 중요하다. 이번 실험에서는 아연과 철을 실험에 사용한다. 표준 환원 전위의 크기를 비교했을 때 철의 전위가 아연의 전위보다 더 크다. 일반적으로 생각한다면 철이 아연에 도금되어야 할 것 같지만, 에너지를 공급해줌으로써 아연을 철에 입힐 수 있다. 도금이 되는 물질 을 연결하고 도금을 입힐 철을 부분에 연결하고 도금을 할 금속 이온인 아연이온을 포함하고 있는 수용액 속에 넣는다. +극과 극에서 발생하는 반응을 살펴보자.

그리고 각각의 시간별로 전류의 크기를 측정하면 이를 이용해서 반응 정도를 파악할 수 있으며, 도금되는 아연의 원자량을 이용하면 이론적인 도금양과 실험 결과 얻어진 도금양을 비교해서 전기 분해 장치의 효율성도 검증해볼 수 있다.

2. Chemicals & Apparatus

화학전지

1) Chemicals

0.1M Pb(NO3)2, 0.1M Zn(NO3)2, 0.1M Pb(NO3)2

2) Apparatus

납판, 아연판, 구리판, 염다리, 사포(400번), 전압계, 비커(50mL) 3개, 핀셋, 눈금 실린더

전기분해와 전기도금

1) Chemicals

0.5M 0.1M Zn(NO3)2

2) Apparatus

철판, 아연판, 저울, 시계, 핀셋, 직류전원, 전압계

3. Procedure

실험 1-1. 전기화학적 서열

1) 세가지 금속판(Zn, Pb, Cu)을 사포로 문질러 닦는다.

2) 세가지 0.1M 금속질산염 용액 10mL를 위하여 세 개의 비커에 각각 취하여 금속을 차례로 넣고 화학 반응이 일어나는가를 살펴본다.

3) 각 용액에 금속판을 넣었다가 꺼낼 때마다 사포로 문질러 덖고 물로 씻어 말린 뒤 비커에 넣고 관찰한다.

실험 1-2. 화학전지

1) 실험 ①~③에 해당하는 용액을 각각 25mL씩을 취하여 2개의 비커에 각각 넣는다.

2) 두 비커를 염다리(2개 사용)로 연결한 후 금속판을 비커에 담그고 전선으로 연결하여 전압을 측정한다.

3) 다른 금속과 금속 용액을 같은 방법으로 조합하여 만들고 각각의 전압을 측정한다.

실험 2. 전기분해와 전기 도금

1) 철판과 아연판을 사포로 닦아 금속광택이 나게 한 후 저울로 무게를 측정한다.

2) 철판은 (−)극에, 아연판은 (+)극에 연결하고 두 전극 각각 30mL 0.5M Zn(NO3)2 용액에 담근 뒤 1.5V 전압 하에서 전기분해를 진행한다.

3) 초기의 전류와 전압의 값을 측정한 뒤 5분 간격으로 30분 동안 전류와 전압을 측정하여 기록한다.

4) 철판의 증류수로 깨끗이 씻어낸 뒤 아세톤으로 씻어내어 공기 중에서 완전히 말린 후 철판의 무게를 측정한다. (세척 시 세척액을 비커에 담아서 사용한다.)

4. Data & Results

1-1. 전기 화학적 서열

- 산화가 잘 되는 순서 : $Zn > Pb > Cu$

- 환원이 잘 되는 순서 : $Cu^{2+} > Pb^{2+} > Zn^{2+}$ 

1-2. 화학전지

2. 전기분해와 도금

1) 전기분해를 통한 아연 금속 도금 양

전기분해 전 철판의 무게: $4.1787g$

전기분해 후 철판의 무게: $4.1846g$

도금된 아연의 양: $4.1846g - 4.1787g = 0.0059g$

아연의 원자량이 $65.38g/gmol$ 이므로 

도금된 아연의 질량은 $0.0059g$이며 그 몰수는 $9.0\times 10^{-5} gmol$이다.

2) 전기분해 장치에 흐르는 전류의 양

3) 패러데이 법칙을 이용한 생성된 아연의 몰수

전기 분해 반응에 대해 관찰된 전류의 수치를 시간의 흐름에 따라서 표현한 것이다. 실제 실험 관찰 결과 전류의 수치가 높아지는 일이 없었음을 감안하여 전류가 최대로 흘렀음을 가정하고 각 구간별로 선형 함수 $I=f_i(t) (i=1,2,...,6)$ 으로 정의하고, 각 구간에서 정의된 부분의 넓이를 시간 구간 당 전하량으로 정의했다.

패러데이 법칙을 이용하면 각 구간별로 생성된 물질의 몰 수를 구할 수 있다.

위의 결과를 이용하면 총 도금된 아연의 몰 수를 구할 수 있다.

4) 도금된 실제 아연의 질량과 전류 측정을 통해서 추정한 아연이 도금된 양 비교

* 두 값 중 어떠한 값도 이론값으로 기준을 정할 수 없으므로 오차율을 따로 구할 수는 없다.

5. Discussion

1) 실험 진행 분석과 실험 결과 도출

(1) 전기화학적 서열 결정

전지와 전기분해 현상을 정확히 분석하기 위해서는 전기 화학적 서열을 우선 결정해야 한다. 이는 표준 환원 전위를 이용해서 결정할 수도 있지만 이를 실험적으로 결정했다. 환원되는 정도와 산화되는 정도를 비교하기 위해서 다음과 같은 표를 작성할 수 있다.

산화 정도와 환원 정도를 실험으로 모두 비교하려면, 다음과 같이 총 9가지의 경우를 생각해보아야 한다. 이때 자기 자신과 반응이 발생하지 않는다는 것은 자명하므로 실제로는 총 6번의 실험을 진행하면 충분하다. 비교를 위해서 금속과 금속이온을 포함한 용액을 준비한다. 금속 이온만 단독으로 존재할 수 없기 때문에 금속 이온을 포함한 용액을 준비하지만, 용액의 음이온이 금속이온과 반응하지 않아야 하는 것을 고려하여 질산이온을 선택했다. 그리고 비교할 금속을 사용할 때 2가지 점을 고려했다. 첫 번째는 매 반응마다 금속을 사포로 갈아서 사용했다. 금속 이온과 금속이 반응해서 이온이 석출되어 금속에 붙어있을 수 있기 때문이다. 또한 사포로 금속 표면을 갈면 표면이 거칠어지며, 이는 용액과 금속 사이의 접촉면적을 증가시켜 반응이 더 용이해지도록 돕는다. 두 번째로는 금속 이온이 모두 같은 전하량을 띠도록 했다. 금속 이온의 전하량이 다르다면 금속이 내어놓는 전자에 대해서 반응하는 금속의 양이 달라진다. 이 때문에 혹시 모르게 발생할 수 있는 오차를 방지했다. 반응의 유무로는 금속의 형태를 보고 파악했다. 실험에서 사용한 용액을 관찰한 결과 뚜렷한 용액의 색 변화를 관찰하기 힘들었기 때문이다. 하지만 반응이 진행된 금속을 관찰한 결과 도금이 된, 즉 반응이 발생하면 이를 명백히 확인할 수 있을 정도로 구분선이 뚜렷했기 때문이다.

(2) 화학전지

앞서 진행한 실험 결과를 바탕으로 화학 전지 실험을 진행했다. 이번 실험에서 갈비니 전지를 설계했다. 이 전지는 자발적으로 반응이 발생하여 따로 전원장치를 설치할 필요가 없었으며, 두 금속의 표준 환원 전위의 차에 따라서 발생하는 전위만 확인하도록 했다. 실제 실험이 진행되는 반응계는 표준 상태가 아니기에 표준 환원 전위에서 벗어난 기전력을 보일 것이라고 생각했다. 다만, 실험의 규모를 고려했을 때 그 정도는 크게 차이가 나지 않을 것이라고 생각했다. 한편, 전압계나 전류계는 사용하기 전에 그 영역을 설정해야 한다. 왜냐하면 영역을 설정해야 그 기저에 있는 값들을 보다 정확하게 측정할 수 있기 때문이다. 반응을 진행시키면 전자는 대한 퍼텐셜 에너지가 더 낮아지는 방향으로 이동한다. 앞서 theory에서 설명했던 전위가 높다는 것은 그만큼 전자가 갖는 에너지가 더 적다는 것을 뜻하므로 전자는 산화전극에서 환원전극으로 이동한다. 이때 산화 전극은 전기적으로 음전하를 띠며, 환원전극은 +전하에 해당하게 된다. 따라서 첫 번째 전지에서는 아연이, 두 번째 전지에서도 아연이, 세 번째 전지에서는 납이 산화되며 전자를 내어놓고, 이는 도선을 타고가서 환원 전극 용액에 담겨있는 금속 이온과 반응하게 된다.

(3) 전기분해를 이용한 도금

이 실험은 단순히 전기분해만 알아보는 것이 아닌 전기분해의 특성을 이용해서 원하는 물체에 도금을 하는 것을 목표로 한다. 아연을 철에 도금하기 위해서 두 금속을 전극으로 사용했다. 다만, 아연을 도금하는 물질로 설정했기 때문에 아연을 +전극에 연결했다. 이는 도금하려는 전극을 환원전극으로 만들어서 금속이온(양이온)이 금속 주변으로 이동할 수 있도록 하기 위함이다. 도금장치는 두 전극을 분리하지 않고 하나의 전해질 용기에 담아 설계하는 경우가 있다. 하지만, 각 전극 부분에서 반응이 진행되면 pH등 조성이 변한다. 이를 각각의 용액으로 생각하고, 혼합되는 것을 막기 위해서 각 전극을 서로 다른 비커에 분리해서 담았다. 다만, 완전히 두 용액을 분리해두면 전류가 흐를 수 있는 닫힌 고리가 형성되지 않기 때문에 KCl을 사용한 염다리를 이용해서 두 용액을 연결했다. 전극을 담은 전해질에는 아연 이온을 포함한 전해질을 사용했다. 산화 전극 용액과 환원 전극 용액이 서로 분리되어 있고 전하를 띤 물질의 이동이 발생하는데, 전해질에 아연이 아닌 다른 물질을 사용하면, 결국 도금되는 것은 전해질에 포함되어 있던 금속 물질이기 때문이다. 전해질에 포함된 금속 이온의 종류와 +전극에 연결한 금속의 전류를 통일한 이유는 혹시나 다른 물질을 사용했을 때 전달되는 전하물질의 차이 때문에 발생할 수 있는 반응의 비예측성을 최소화하기 위함도 포함되어 있다. 그리고 전기분해를 진행하기 위해서 직류 전압을 걸어주었다. 교류 전압은 전자의 이동 방향이 수시로 변하기 때문에 전류를 동일한 방향으로 흐르지 못하기 때문이다. 그리고 전기분해는 비자발적으로 발생하기 때문에 외부에서 전압기의 형태로 전압을 걸어주어야 한다. 표준 상태에서 전기 분해를 진행한다고 했을 때는 산화 전극이 아연, 환원 전극이 철이라는 것을 감안했을 때 예상되는 전압의 크기는 다음과 같다.

하지만 실험에서 실제로 설정해준 전압의 크기는 1.5V다. 이는 과전압으로 인하여 표준환원 전위만을 고려했을 때 예측되는 필요한 전압보다 더 많은 전압이 필요해질 수 있음을 고려한 것이다. 전압과 전기분해 장치에 의해서 형성되는 전류를 측정하기 위해서 전류계를 연결하고, 너무 오차가 나지 않는 범위에서 20mA를 기준으로 전자의 흐름을 측정했다. 전기 분해를 진행하면 산화 전극과 환원 전극에서는 다음 원리를 따라서 각각 부분의 반응이 발생한다.

① 산화 전극 (아연판)

전기 분해의 산화 전극은 +부호를 갖는다. 전자의 흐름은 전지의 +극에서 -극으로 흐르는데, 산화 전극에 +극을 연결하여 전자가 아연판으로부터 빠져나가기 때문이다. +부호를 갖는 전극에는 전기적 인력으로 인해서 물과 전해질 속의 질산 이온이 끌려간다. 질산 이온은 다원자음이온으로 이미 전기적으로 음성을 띠며 전기적으로 안정한 상태에 놓여있다. 이를 고려하면 물이 질산이온보다 쉽게 전자를 내어놓을 수 있기 때문에 물이 산화가 되며 반응은 다음과 같다.

② 환원 전극 (철판)

전기 분해의 환원 전극은 -부호를 갖는다. 환원 전극은 산화전극으로부터 온 전자가 방출되어 수용액에 있는 물질들에 전달된다. 음전하를 갖고 있기 때문에 환원 전극 근처로는 수용액 속의 아연 양이온과 물이 끌려온다. 아연 이온과 물 중 더 환원이 잘 되는 물질이 전극에서 환원된다. 아연 이온의 표준 환원 전위는 -0.76V으로 물의 환원 반응이 갖는 표준 환원 전위인 -0.83V보다 더 크기 때문에 환원이 잘 되고 이 물질이 석출된다. 한편, 전기 화학은 전자의 터널링 효과에 따라 전극의 근처에서 반응이 진행된다. 그래서 환원된 금속은 수용액 속에 분산되는 것이 아니라 철에 석출이 되고 이는 도금의 형태로 나타난다.

2) 실험 결과 분석 및 오차 발생 이유

(1) 전기화학적 서열 결정

실험 진행 결과 구리 이온은 모든 금속과 반응했을 때 환원이 되어 석출이 되었으며, 납 이온은 아연 금속에 대해서만, 아연 이온은 모든 금속에 대해서 석출 반응을 일으키지 않았다. 즉, 구리 이온이 제일 환원이 잘 되고 그 다음으로는 납 이온이, 셋 중에서는 아연 이온이 가장 석출이 안되는 것을 확인할 수 있다. 실험에서도 관찰할 수 있으나, 아연 금속은 모든 금속 이온에 대해 산화 반응을 보였고 금속 납은 구리 이온에 대해서만, 금속 구리는 반응을 일으키기 않는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해서 아연이 가장 산화가 잘 되며 납이 그 다음으로, 마지막으로 구리가 가장 산화가 잘 되지 않는 것을 확인할 수 있다. 같은 물질에 대해서 산화 정도에 대한 전기화학적 서열은 환원 반응에 대해 보이는 서열과 반대 경향을 나타내는 것을 알 수 있다.

(2) 화학전지

만약 표준 상태에서 전지반응이 발생했다면 표준환원전위를 이용해서 예측한 값을 전위로 표현되었어야 하는데 실제 비교해본 결과 그렇지 않았다. 이는 실제 반응에 관여한 물질들의 활동도가 1이 아니기 때문에 발생했고 그로 인해서 과전압이 발생했기 때문이다. 활동도의 차이가 발생한 정도는 Nernst 식을 이용해서 구할 수 있다.

상온에서 반응이 진행되고, 세 전지 모두 관여한 전자의 몰수가 2몰인 것을 감안하면 식을 다시 정리할 수 있다.

이를 이용하면 각 이온의 거동의 정도 차이를 확인해볼 수 있다.

세 반응의 반응지수를 확인해본 결과 상대적으로 모두 매우 큰 값이 나왔음을 확인할 수 있으며 이는 역반응이 더 진행되어야 하는 상태에서 전기화학반응이 발생한 것임을 알 수 있다. 이러한 원인이 발생한 원인에는 염다리를 충분히 적시지 않아서 발생된 전하입자의 이동 효과 감소, 전압계의 측정 오류 등을 들 수 있다.

(3) 전기 분해를 이용한 도금

① 실험 결과 분석

실험 결과 전기분해 장치에 흐르는 전류의 크기가 처음에는 매우 컸다가 점차 감소하는 경향을 확인할 수 있다. 이는 전기 분해 장치가 하나의 ‘가변 저항’으로 관여했다고 생각할 수 있다. 가변 저항은 스피커 등에서 사용되는 저항인데 저항값을 달리 하여 연결된 기능을 달리할 수 있다. 전기분해 장치에서 철 전극이 아연으로 도금되고, 아연 전극 근처에서 산소 기체가 발생하므로 일정 시간이 지나게 되면 더 이상 뚜렷한 전하입자들의 이동을 관찰할 수 없게 된다. 즉, 전극 근처에서의 반응 정도가 점점 일정 수준으로 다다르므로 그만큼 전류의 흐름도 정해진 값으로 수렴하게 된다. 전기 분해 장치에서 저항으로 관여할 수 있는 것은 전류계와 전기 분해 장치이며, 이 둘은 직렬로 연결되어 있으므로 두 저항값을 더한 것이 전체 회로의 저항으로 기인한다. 이때 전기 분해가 진행되며 점점 전기 분해 정도가 감소하게 되므로 그만큼 전자 및 전하입자의 이동이 감소하게 되는데 이는 저항이 강해졌다고 생각할 수 있다. 실제로도 전류의 크기가 점차 감소하는 것을 보아 옴에 법칙에 따라 설명했을 때 일정 전압에 대해 전류와 저항이 반비례관계인 것도 확인할 수 있었다. 또한 철에는 아연이 석출된 것을 확인할 수 있었다.

철 판을 확인했을 때 수용액 부분에 담긴 부분과 담기지 않은 부분이 확실하게 구분되는 것을 아래의 그림을 통해서 쉽게 확인 가능하다. 이는 앞서 설명했던 전자의 터널링 효과로 인해서 전극 근처에서만 반응이 진행되기 때문에 관찰되는 현상이다.

② 오차 분석

전기 분해 실험 결과를 통해서 도금된 양을 비교해보면 측정된 전류에 의해서 생성되는 아연 금속의 양이 최대라고 가정했음에도 불구하고 실제 측정된 질량과 차이가 발생했다. 이를 2가지 관점에서 살펴볼 수 있다. 우선 질량의 측정이 제대로 이루어지지 않은 점을 오차의 원인으로 들 수 있다. 저울의 영점이 맞지 않을 수도 있으며 도금된 금속과 철 전극에 포함되어 있던 수분을 미처 제거하지 못했을 때 실제보다 질량이 차이가 나게 측정될 수 있다. 그리고 전극 부분에서 반응이 진행이 되었으나 전극에 도금이 되지 못한 석출된 물질들이 존재할 수도 있다. 두 번째로는 전류계 측정에서 발생할 수 있는 오차에 대해 살펴보자. 질량 측정이 잘 이루어졌다고 가정하면 측정된 질량으로 얻은 양이 관찰된 값이고, 전류는 표현된 값이다. 즉, 실제 값보다 더 적은 수치로 측정이 되었다는 것을 의미한다. 이는 전류계 자체에서 전류 표현을 위해서 사용하는 에너지가 있기 때문이다. 전류계도 하나의 자성 물체로 흐르는 전류에 의하여 그 값이 표현된다. 이를 위해 실제 흐르고 있는 전자 보다 더 적은 양이 흐르고 있다고 전류계가 받아들여서 실제보다 더 작은 값이 측정될 수 있다.

6. Reference

1. 대한화학회, 표준 일반화학실험 제 7판, 천문각, 2011, pp. 155~162

2. 오승모, 전기화학 제 3판, 자유아카데미. 2019, pp. 1~25, 31~41, 261

3. Brown 외 5인 및 화학교재연구회 옮김, 일반화학 제 14판, Pearson 및 자유아카데미, 2019, pp. 981~984, 1003~1008

실험 결과를 해석할 때 필요한 개념

산화와 환원

반쪽 반응과 반쪽 반응법

전기화학 반응의 특징

반쪽 전지

표준 전극 전위와 표준 환원 전위

전기화학 전지의 구성 및 종류

1. Introduction

이번 실험에서는 살리실산을과 카복실산 유도체인 아세트산 무수물을 이용해서 아스피린을 합성하는 실험이다. 유기 합성은 원하는 생성물만 얻어지지 않고 다른 생성물질도 얻어진다. 그래서 유기 합성은 보통 합성 과정과 정제 과정을 갖는다.

1) 아스피린 합성 과정의 이해

우선 아스피린 합성 과정부터 살펴보도록 하자. 살리실산은 벤조산 및 페놀의 유도체로서 벤젠고리에 카복시기(-COOH)와 하이드록시기(-OH)를 동시에 갖는 물질이다. 이성질체와의 구분을 위해서 살리실산을 2-하이드록시 벤조산이라고도 부른다. (이는 카복시기을 알킬기로 간주해서 이를 기준으로 오쏘, 메타, 파라 자리 중 오쏘 자리에 하이드록시기가 결합된 형태를 의미한다.) 무수산 아세트산과 살리실산의 반응은 친핵성 아실 치환반응에 해당한다. 보다 빠른 반응을 위해서 산 물질을 넣어주어야 한다. 이때 이온화후 형성되는 음이온이 반응에 영향을 미치지 않도록 해야 하며 이를 감안하여 인산을 촉매로 사용한다. 아세트산 형성 메커니즘을 밑의 그림에 표현하였다.

촉매가 관여되었기 때문에 합성 과정에서는 단순한 에스터화보다는 복잡한 반응 메커니즘을 보인다. 우선, 산에 의해서 이온화된 수소 이온이 이탈기에 부착된다. 아세트산 무수물을 사용하기 때문에 이 반응에서의 이탈기는 $CH_3COO^-$이다. 한편, 아세트산 무수물에서 결합 형성에 관여하는 탄소는 산소와 붙어있다. 산소의 전기음성도가 더 크기 때문에 탄소는 상대적으로 양이온을 띠고 있다. 살리실산에 붙어있는 하이드록시기가 해당 탄소로 이동하며 음이온 친핵체로 관여한다. 그 다음에 이온화된 인산 이온이 이탈기에 붙은 수소 원자의 양성자와 결합하여 배출된다. 그 다음에 이탈기에 수소 원자가 다시 결합하게 되고 이때는 하이드록시기의 수소원자가 관여하여 이탈기를 배출한다. 마지막으로는 다시 음이온이 된 인산 이온이 에스터에 붙어있는 수소를 가져가면서 아스피린이 합성된다. 한편, 배출된 이탈기는 수중의 수소와 반응하여 아세트산($CH_3COOH$)를 형성한다. 아스피린이 다 합성되었다고 판단되면 미처 반응하지 않은 아세트산 무수물을 가수분해를 이용해서 분해한다. 이는 다음 반응을 통해 발생한다. 이 반응 도중에 아세트산 증기가 발생할 수 있으므로 주의한다.

2) 아스피린 정제 과정 이해

합성된 아스피린은 합성 과정에서 불순물을 포함한 채 합성될 수 있으며, 혹은 원하던 아스피린이 아닌 다른 물질이 생성되었을 수도 있다. 이들을 제거하기 위해서 용해도를 이용한 재결정과 감압 여과를 적용한다. 아스피린은 다음 구조를 갖는다.

에스터 부분과 카복시기 부분이 극성을 띠나, 벤젠 고리는 전체적으로 무극성을 띤다. 한편, 아스피린은 벤조산 구조에 에스터가 붙은 것으로도 해석이 가능하므로 벤조산 유도체의 일종이다. 그렇기 때문에 아스피린은 벤조산처럼 물 속에서 이온화되어 pH에 영향을 줄 수 있다. 알려져있는 pKa=3.5정도이다. 이를 평형 상수로 바꾸면 다음과 같다.

$K_a$의 값이 값이 작은 것으로 보아 아스피린은 약산이며 물에서 잘 이온화되지 않는다. 그리고 특정 온도에 대한 아스피린의 용해도는 3mg/mL이기 때문에 우리가 목표하고자 했던 수득량인 1g을 모두 녹이려면 약 333mL가 필요한데 이는 꽤 많은 양이기도 하고 물의 비열이 크기 때문에 온도를 충분히 올리려면 많은 시간이 소요된다. 그래서 아스피린이 벤젠 고리도 갖고 있어서 무극성 용매에도 잘 녹는 특성을 이용한다. 한편 초기에 무극성 용매로 다이에틸에테르를 사용한다. 이 물질은 산소 원자를 포함하지만 주위의 탄화수소 때문에 무극성을 보인다. 아스피린과 다이에틸에테르의 혼합 과정 후에 떠있는 물질들은 합성 시 포함되었던 불순물들이므로 여과를 통해 제거한다. 그 다음 아스피린을 다시 결정화하기 위해서 헥세인을 넣는다. 헥세인은 탄소 6개를 포함하는 사슬 모양의 포화 탄화수소이며 무극성 용매로 알려져 있다. 여기서 용해도의 차이에 의한 재결정의 원리가 적용된다. 헥세인을 용매로 했을 때 아스피린 용질과 다이에틸에테르 용질에 대한 용해도를 비교해봤을 때 다이에틸에터와의 용해도가 더 크다. 두 물질은 거의 무극성을 띠므로 끼리끼리 섞이는 용해 법칙에 의하여 더 많은 엔탈피를 방출하고, 더 잘 섞이므로 엔트로피가 더 증가한다. 이는 깁스에너지에 영향을 주며 용액이 기존보다 보다 안정한 상태로 갈 수 있다. 반응계는 최대한 한정한 상태를 유지하려고 하므로 아스피린과 상호작용하던 다이에틸에테르가 헥세인과 상호작용을 하게 되며 아스피린이 석출된다. (염석 효과와 유사한 메커니즘을 띤다.) 결정이 형성될 때 충격을 가하면 결정의 크기가 충분히 크게 형성되지 않을 수 있으므로 주의한다. 석출된 아스피린이 포함된 용액을 다시 감압 여과를 통해 결정체를 얻어낸다. 이때, 혹시나 불순물이 붙게 될 수 있으므로 헥세인으로 조금 더 씻어준다. 이때 물을 사용하지 말아야 하는데, 아스피린이 산성물질이기 때문에 다시 물에 용해될 수 있기 때문이다.

2. Chemicals & Apparatus

1) Chemicals

2) Apparatus

물중탕(water bath), 가열판(hot plate), 저울(chemical balance), 삼각 플라스크(erlemeyer flask) 50mL, 비커(beaker), 유리 막대(glass rod), 스탠드(stand), 클램프(clamp), 눈금 실린더(graduated cylinder), 감압 거름장치(buchner funnel, suction flask), 녹는점 측정장치(melting point apparatus), 온도계(0℃~150℃)(lab thermometer), 거름종이(filter paper), 핀셋(pincette)

3. Procedure

-합성 단계-

1) 살리실산 1g을 50mL 삼각 플라스크에 넣고 아세트산 무수물 2mL를 넣는다. 이때 용기 벽에 묻은 살리실 산을 모두 씻어낼 수 있도록 용기 벽을 따라 무수물이 흘러내리도록 하는 것이 좋다.

2) 물 중탕 장치를 준비하여 삼각 플라스크를 고정시킨다.

3) 85% 인산 3~5방울을 촉매로 넣어주고, 70~85℃로 유지하여 10분간 가열하면 반응이 완결된다.

4) 이 용액에 증류수 1mL를 조심스럽게 넣어서 반응하지 않고 남아 있는 아세트산 무수물을 분해한다. 아세트산 무수물이 분해되는 동안에 아세트산 증기가 발생하므로 실험실의 환기가 잘되도록 한다.

5) 아세트산 증기가 더 발생하지 않으면 삼각 플라스크를 물 중탕에서 꺼내 증류수 15mL를 넣어주고 실온까지 냉각시킨다.

6) 아스피린 결정이 생성되지 않을 경우 삼각 플라스크를 얼음물로 냉각시키고 유리 막대로 삼각 플라스크 안쪽을 긁어준다.

7) 생성된 결정을 감압 여과기로 걸러낸 후 아스피레이터에 꽂아둔 채로 공기 중에서 20분 동안 말려서 무게를 잰다.

-정제 단계-

8) 생성된 아스피린을 삼각 플라스크에 넣고 5mL 에틸 에터를 넣어서 물 중탕으로 가열하여 녹인다. 녹지 않은 물질이 있을 경우 거름 종이로 걸러 제거한다. 이후 필터 플라스크의 벽면에 묻은 경우, 에터(ether)를 소량으로 벽면을 적셔준다.

9) 여과된 용액에 Hexane(끓는점 69℃) 약 20mL를 가한 후에 용액을 젓지 말고 얼음물에 담가 두어 침전이 생기도록 한다. 8에서 ether를 가한 만큼 더 넣어주면 된다.

100 생성된 침전을 거르고 소량의 헥세인으로 씻은 후에 다른 거름 종이에 옮겨 말린다.

11) 정제한 아스피린의 무게를 잰다.

4. Data & Result

1) 정제 후 무게

1차 - 1.0054g

2차 - 0.2941g

2) 수득률 계산과정

(1) 이론절으로 합성되어야 하는 아스피린

① 반응에 참여한 살리실산의 몰수 $n_{sa}$

② 반응에 참여한 아세트산 무수물의 몰수 $n_{aa}$

③ 반응을 통해 생성되는 아스피린의 질량

이때 아스피린 생성 반응에서 살리실산과 아세트산 무수물의 반응계수비가 1:1이며, $n_{sa}<n_{aa}$ 이다. 따라서 한계반응물이 모두 반응했고, 순수한 아스피린이 생성되었다고 가정할 때, $n_{asp}=n_{sa}$ 이다. 이를 이용해서 아스피린의 질량을 계산할 수 있다. 

(2) 수득률

1차 

2차

5. Discussion

1) 실험 과정의 이해

유기 합성의 한 종류인 친핵성 아실 반응을 이용해서 살리실산을 아스피린으로 합성하는 실험을 진행했다. 반응을 위해서 살리실산과 아세트산 무수물을 가지고 왔다. 이는 유기 합성에서 중요하게 여겨지는 두 가지 점을 고려했기 때문이다. 우선, 유기 합성은 경제성을 요구한다. 이는 시약을 싸고 쉽게 구할 수 있어야 함을 뜻하는데, 살리실산은 에스터화가 진행될 수 있는 벤조산 유도체 중 비교적 쉽게 구할 수 잇는 물질이기 때문에 실험에서 사용되었다. 그리고 유기 합성에서는 반응계의 물리적 및 화학적 변화를 최대한 통제해서 변수가 발생하지 않도록 해야 한다. 만약 단순한 카복실산에 해당하는 아세트산을 합성에 사용했다면 아스피린을 생성할 수는 있었겠지만, 그 반응물로 물이 형성되어서 합성에 방해가 될 수 있다. 또한 아스피린은 물에 의해서 가수분해가 가능하기 때문에 생성물로 물이 형성되면, 아스피린과 반응해서 다시 살리실산으로 돌아갈 수 있다. 이는 우리가 얻고자 했던 아스피린보다 더 적은 양을 얻을 수 있다. 그래서 아세트산 사이의 반응을 먼저 진행시켜 생성물로 물이 나오지 않는 아세트산 무수물을 실험에 사용했다. 살리실산을 실제로 보면 매우 고운 가루이므로 쉽게 바람에 날릴 수 있으며, 이는 시약지에서 삼각 플라스크로 옮길 때 용기 벽면에 쉽게 부착될 수 있음을 보이는 특성이다. 그래서 고체 시료를 먼저 옮긴 후 벽면에 붙어있는 카복실산을 아세트산 무수물로 씻어서 넣도록 했다. 그 후 중탕을 이용해서 물질의 합성을 진행하도록 했다. 아세트산 무수물은 끓는점을 117.9℃로 비교적 낮은 값을 보인다. 그래서 반응계를 직접 가열하게 되면 아세트산이 기화되어 기대하던 만큼의 아스피린을 수득하지 못할 수도 있다. 또한 지나친 고온은 유기물에 변형을 가할 수 있기 하기 때문에 중탕을 이용해서 합성을 유도했다. 살리실산과 아세트산 무수물만 있더라도 살리실산의 하이드록시기가 아세트산 무수물에게 친핵체로 작용하여 에스터화가 진행될 수 있다. 하지만, 반응의 속도를 빠르게 하고 수득률을 높이기 위해서 촉매로 수소이온을 내어놓을 수 있는 인산을 사용했다. 염산과 같은 물질은 에스터화 반응에서 주요하게 관여되는 물질 중 하나이므로, 합성 반응에 크게 영향을 미치지 않는 음이온을 선정해야 하는데, 인산이 이 조건에 해당되기 때문이다. 아세트산 무수물이 중탕 도중 기화하지 않도록 무수물의 끓는 점 보다 낮은 지점에서 중탕을 진행했다. 합성이 완료되도록 충분한 시간을 기다린 뒤 반응을 종료한다. 메커니즘은 아래를 따른다.

앞선 Data & Result에서 살펴보았지만 이번 실험에서 사용한 반응 물질들의 양을 고려했을 때 살리실산이 한계반응물에 해당한다. 그래서 반응 후에는 반드시 아세트산 무수물이 남아있는데, 이를 분해하기 위해서 물을 넣어준다. 물을 넣어주면 아세트산 무수물이 가수분해되어 아세트산이 형성된다. 이때 아세트산 증기가 발생하여 악취가 발생한다. 이 이유는 아세트산 무수물의 합성 과정을 살펴보면 알 수 있다. 아세트산 무수물의 합성 반응은 다음과 같다.

이때 각 물질의 표준 생성 엔탈피를 고려해서 이 반응의 반응 엔탈피를 구하면 아래와 같다.

$\Delta H_{rxn}>0$ 이므로 아세트산 무수물의 합성 반응은 흡열반응임을 알 수 있다. 이는 아세트산 무수물이 아세트산보다 비교적 고분자형태를 갖고 있으므로 자명하다. 한편, 이번 실험에서는 가수분해를 이용해서 아세트산 무수물을 분해하는 것이므로 합성 반응의 역반응이 진행한다.

역반응의 반응 엔탈피는 정반응의 반응 엔탈피의 음의 값을 갖기 때문에 $\Delta H_{rxn,reverse}=-63.2kJ/mol <0$이다. 이는 아세트산 무수물 분해 반응은 발열 반응임을 의미한다. 즉, 물을 넣어서 무수물을 분해하면 생성물인 아세트산과 열이 함께 발생한다. 사용되는 무수물의 양이 적기 때문에 생성되는 열 때문에 아세트산이 기화할 수 있다. 그래서 아세트산 증기가 발생할 수 있게 된다. 이 증기를 직접 맡으면 위험할 수 있기 때문에 증기 발생은 입구 뒤에 검은 물체를 둬서 확인했다. 아세트산 무수물까지 분해를 했다면 현재 삼각 플라스크 안에는 높은 온도에 의해서 용해된 아스피린이 있을 것이다. 이를 결정 상태로 다시 석출해내려면 용액의 온도를 낮추어야 한다. 이때 중탕한 상태로 용액을 식히려고 하면 문제가 시간이 오래 걸리기 때문에 소량의 증류수를 넣어서 용액의 온도를 낮춘 후 아스피린의 결정화를 진행했다. 결정화가 완료되면 해당 용액에는 아스피린 등이 포함된 고체 석출물과 액체상의 용액이 존재하며, 아스피린 등 고체 물질을 얻어내기 위하여 감압 거름을 진행했다. 다만, 사용한 삼각 플라스크의 크기도 작고, 용액의 양도 작았기 때문에 한번에 결정들을 모두 꺼내는 것이 힘들었으며, 물을 이용해서 플라스크 안에 남아있는 물질들을 최대한 빼냈다. 다만 사용했던 거름종이의 크기가 뷰흐너 깔때기의 직경보다 더 작았기 때문에 뷰흐너 깔때기 내부에도 결정형태 물질이 묻었으며, 이를 최대한 수득하기 위해서 더 큰 거름종이의 질량을 추가적으로 측정하고 이를 밑에 깔고 그 위에 거름종이와 묻은 결정들을 덜어냈다. 이 결정들은 아직 수분을 포함하고 있기 때문에 건조 과정이 필요하다. 이 건조과정은 오븐이 아닌 상온에서 진행되어야 한다. 왜냐하면 고온에서 건조를 진행하면 역반응이 진행할 수 있기 때문이다. (앞서 이야기했지만, 아스피린은 물과 반응하여 다시 살리실산과 아세트산으로 분해된다. 공기중에는 수증기의 형태로 수분이 존재한다. 그래서 아스피린은 공기중에 놓여있으면 분해가 진행될 수 있다. 이때 수증기를 포함한 공기의 온도가 높다면 아스피린과의 반응속도가 더 증가하여 그 분해가 가속된다. 이 반응은 합성에 대한 반대 방향이 때문에 역반응이라고 표현한 것이다.) 공기중에서 건조를 완료하면 아스피린으로 판단되는 결정을 얻을 수 있다. 하지만, 유기 합성은 한 번에 목표하던 물질만을 얻을 수 없기 때문에 용해도 차이를 이용한 재결정 방법을 이용한 정제 과정이 요구된다. 결정형태로 석출된 시료를 다시 중탕하기 위해서 삼각 플라스크에 최대한 가루가 떨어지지 않도록 옮겨 넣었다. 우선 아스피린을 녹이기 위해서 유기 용매인 다이에틸에테르를 사용했다. 아스피린이 최대로 생성된 양을 물에 녹이려면 꽤 많은 양의 물이 필요하며, 아세트산이 물과 반응하여 분해될 수도 있기 때문이다. 한편, 다이에틸에테르는 끓는점이 34℃로 매우 낮으며 쉽게 기화된다. 그래서 에테르의 끓는점보다 낮은 온도에서 물 중탕을 진행했으며, 핫 플레이트가 앞선 중탕 과정으로 가열이 되어있었기 때문에 표면에 물을 뿌려서 충분히 식었다는 것이 판단된 후 중탕과 stirring을 진행했다. 중탕을 진행하면 용액에 확실히 침전되는 물질이 관찰된다. 이는 혼합물로 구성된 용질과 용매 사이의 용해도 관계를 이용하여 용매에만 녹을 수 있는 물질과 그렇지 않은 물질을 구분해내는 용해도 차이 원리가 적용되었다. 유기 반응은 주된 반응을 제외하면 부수적으로 발생하는 반응들을 판단하기 어렵다. 그래서 침전된 물질의 종류를 정확하게 규정할 수는 없으나 유기 용매에 잘 용해되지 않는 큰 극성을 갖는 시료가 아스피린 합성 도중 같이 형성된 것으로 보인다. 현재 해당 반응계에는 아스피린이 녹아 있는 에테르 용액과 석출된 결정이 존재한다. 아스피린을 얻기 위해서 다시 한번 감압 여과를 진행했다. 감압 과정에서는 압력이 급변한다. 기체시료가 아니더라도 압력이 변하면 물질에 대한 용해도가 변할 수 있다. 또한 물질의 끓는점도 변화할 수 있다.  그 결과 감압 여과를 했을 때 액체 형태로 여과된 용액도 있었으나, 그 양은 여과 전보다 확연하게 줄은 것을 확인할 수 있었으며, 감압 플라스크 벽면에 아스피린으로 예상되는 가루 물질들이 붙어있는 것을 확인할 수 있었다. 이들을 벽면에 붙어있던 가루들도 다음 반응에 참여되어야 하므로 에테르를 벽면에 조심스럽게 부어서 가루들도 다시 에테르에 녹였다. 그 후에는 마찬가지로 유기 용매인 헥세인을 섞어주었다. 이도 앞선 이용한 석출과 마찬가지로 용해도의 차이를 이용해서 결정화를 진행하는 것이지만, 원리가 약간 다르다. 이 석출 과정은 반응계가 더 안정해지려는 경향성을 이용한다. 헥세인이 섞이기 전까지는 에테르와 아스피린이 서로 상호작용을 통해서 아스피린이 녹아있다. 하지만 헥세인이 들어오면 상호작용 관계가 변한다. 다이에틸에테르의 분자구조와 아스피린의 분자구조를 비교해보면 다이에틸에테르가 비교적 무극성을 보이기 때문에 유기용매인 헥세인과 더 잘 용해될 수 있다. 그래서 에테르가 용질로서 용매인 헥세인에 섞이게 되어 새로운 상호작용을 형성하며, 기존의 아스피린과의 상호작용이 끊어지게 되면서 아스피린이 석출된다. 아스피린의 녹는점은 135℃로 얼음이 밖에 있는 것을 고려하면 반응계는 온도가 충분히 낮으므로 아스피린은 고체의 형태로 석출된다. 석출된 아스피린을 얻기 위하여 다시 감압을 진행했으며, 플라스크의 크기가 작아서 내부에 있는 정제된 아스피린을 최대한 수득하기 위해서 헥세인을 넣고, 이를 한번에 뷰흐너 깔때기에 털어넣었다. 그 후 건조과정을 거치고 기존의 거름종이의 질량을 제외하여 수득한 아스피린의 질량을 계산했다.

2) 데이터 분석 및 오차율 판단

이번 실험에서 얻은 결정의 질량과 수득률을 정리하보았다. 

순수한 아스피린만이 합성된다고 했을 때 최대로 얻을 수 있는 아스피린의 질량은 1.3 이다. 하지만 실험 결과 기대했던 수득양보다는 더 적은 양을 얻어냄을 확인할 수 있다. 이 이유에 대해서 살펴보도록 하자. 실험 과정에 대해서 살펴보기 전, 아스피린의 반응 자체를 먼저 살펴보자. 수득수득 계산할 때 한계반응물인 살리실산이 모두 반응했음을 가정하고 아스피린의 이론적인 수득양을 계산했다. 하지만, 아스피린의 합성 반응은 가역반응이므로 반응이 종결되었을 때 한계반응물이 모두 소진되지 않는다. 즉, 아스피린은 1.3 보다 더 적은 양이 얻어질 수밖에 없다.

이제 실험 과정에서 수득률에 영향을 줄 수 있던 요인들에 대해서 생각해보자. 우선 1.0g이라고 측정된 살리실산이 실제로는 그 질량과 다를 수 있다. 왜냐하면 저울을 이용해서 질량을 측정할 때 영점을 정확하게 맞추어야 하는데, 맞추려고 노력을 하더라도 완벽한 영점은 힘들기 때문에 측정된 질량과 실제 질량에는 차이가 있다. 이는 살리실산의 질량 측정 과정 뿐 만 아니라 후에 진행되는 모든 질량 측정 과정에서도 발생할 수 있는 오차 요인이다. 그 다음으로는 용액 및 시료를 옮기는 과정에서 오차가 발생할 수 있다. 중탕 및 재결정을 실험 시 사용하게 되면 액체 및 고체 시료를 옮겨 담는 과정이 항상 수반된다. 이번 실험에서 옮겨 담는 과정에서 손실될 수 있는 과정들을 나열하면 다음과 같다. ① 유리 기구들은 흡착성이 좋기 때문에 병 입구에 묻는 가루를 최소화하기 위해서 빈 유리 용기에 살리실산을 넣는 과정에서 유리에 흡착하여 손실될 수도 있다. ② 옮겨 담는 과정에서 고체 시료가 밖으로 떨어질 수도 있다. 거름종이 혹은 유리 용기에 미처 옮기지 못한 시료가 남아있을 수 있다. ③ 뷰흐너 깔때기보다 더 작은 크기의 거름종이를 사용하면 결정화과정에서 거름종이 밖에서도 결정이 형성될 수 있으며 결정을 뷰흐너 깔때기에 묻어 있는 것도 수득을 해야 하는데, 그 과정에서 모두 털어내지 못할 수 있다. 위의 원인들은 주로 예상되는 아스피린의 수득양보다 저 적은 양의 아스피린을 얻어내는 데 주로 기여한다. 세번째로는 결정화하는 과정에서 모든 양이 석출되는 데 필요한 정확한 시간을 알지 못하는 것도 오차에 기여한다. 결정화를 진행하려면 충분한 시간을 진행해야 한다. 하지만 생성된 물질의 양을 정확하게 모르는 상태에서 모든 물질이 결정으로 석출되었다고 판단하기에는 어려움이 크다. 그래서 이번 실험에서는 상온의 온도와 반응계의 온도가 비슷할 때를, 얼음에 넣고 10분가량을 넣었을 때를 모든 결정이 석출되었다고 판단해서 실험을 진행했지만, 실험 결과를 보면 시간이 충분하지 않았음을 알 수 있다. 그리고 아스피린이 보이는 역반응의 특성이 아스피린의 수득율을 낮출 수 있다. 첫 번째 아세트산 합성 과정에서 삼각 플라스크 내부에 들어있는 아세트산 결정을 모두 꺼내기 위해서 물을 넣어서 결정을 뽑아냈다. 아스피린은 벤조산 유도체로 물 속에서 이온화가 될 수 있다. 또한 아스피린은 물과 반응하여 살리실산과 아세트산으로 분해될 수 있다. 그래서 물을 이용해서 아스피린을 빼낼 때 물과 반응하여 생성된 아스피린이 분해되어 더 적은 양이 석출되었을 수 있다. 또한 얼음을 이용해서 재결정을 하면 결정이 비교적 작게 형성될 수 있으며, 이는 용해가 더 쉽게 진행될 수 있도록 돕는다. 그래서 삼각 플라스크 내부의 아스피린을 꺼내기 위해서 헥세인을 사용했을 때 벤젠도 유기용매에 녹을 수 있기 때문에 헥세인에 다시 용해되어 수득율이 낮아질 수 있다. 그리고 삼각 플라스크의 내부에 들어있는 아스피린을 꺼내기 위해서 뷰흐너 깔때기에 용액을 재빨리 부었는데 이는 작은 크기의 결정들이 거름종이에 걸러지는 데 방해를 해서 그대로 거름종이를 통과할 수도 있다. 또한, 아스피린 결정을 건조하는 과정에서 결정 내부까지 건조되기까지의 시간을 들이지 않아서 실제 질량보다 더 크게 측정되었을 가능성도 배제할 수 없다.

한편, 질량을 이용해서 수득률 만을 측정하는 것은 유기 합성 실험에서는 명백한 한계를 보인다. 왜냐하면 질량의 측정 시 저울의 영점 문제, 불순물의 포함 등으로 질량이 정확하게 측정되지 않을 수 있기 때문이다. 특히 1차 수득율 측정에서는 아세트산이 물과 반응하여 생긴 부산물 살리실산 등이 포함될 수 있기 때문에 정확하게 아스피린이 생성되었다고 판단하기에는 힘들다. 따라서 유기 합성 시 그 물질의 순도를 결정하는 실험이 추가되어야 이 합성이 올바르게 진행되었는지 파악할 수 있다. 다양한 방법이 있지만 그 중 몇 가지 방법에 대해서 살펴보자.

3) 합성 물질의 순도 판단 방법

(1) 녹는점 측정기의 사용

어떤 물질을 합성했을 때 물질의 순도는 녹는점 측정기를 사용하면 쉽게 얻을 수 있다. 어떤 순물질은 거의 고유한 녹는점을 갖는다. 하지만, 측정되는 대상이 혼합물이라면 녹는점이 그 지점에서 형성되지 않으며 물질의 상태에 따라 더 높은 곳에서 혹은 더 낮은 지점에서 녹는점이 형성될 수 있다. 이때의 물질의 순도는 다음과 같이 정의할 수 있다.

(2) 적정의 이용

아스피린은 카르복실 산이므로 카복시기에서 수소 이온이 빠져나와서 산으로 작용할 수는 있다. 하지만, 카복시시기는 수소 이온을 잘 내어놓으려고 하지 않기 때문에 약산으로 작용한다. 그래서 아스피린이 벤조산 유도체인 것을 이용하면 약산-강염기 적정을 이용해도 물질의 순도를 결정할 수 있다.  이 방법은 크게 2가지 과정을 거쳐야 한다. ① 표준용액의 표준화를 진행해야 한다. 적정에서 표준 용액의 농도를 정확하게 아는 것은 중요하다. 이 적정에서는 강산으로 수산화나트륨 둥을 사용할 텐데, 강염기라고 하지만 예상하던 만큼 물질이 녹지 않을 수 있고 실험 과정 상의 오류로 농도가 실제와 다를 수 있기 때문이다. 그래서 1차 표준 물질이라고 알려진 물질을 이용해서 적정을 진행하면 표준용액을 표준화할 수 있다. 그리고 아스피린이 충분히 녹을 수 있을 정도의 물을 넣어서 아스피린을 모두 녹인 아스피린 수용액을 만든다. ② 표준화된 표준 용액으로 아스피린에 대한 적정을 진행한다. 아스피린은 1가 산이므로 수산화나트륨과 1:1 반응계수를 갖는다. 그래서 아래의 관계를 이용하면 당량점에서의 아스피린의 몰수를 얻을 수 있다.

이를 이용하면 수득한 아스피린의 실제 순도를 알아낼 수 있다.

Reference

1. 대한화학회, 표준 일반화학실험 제 7판, 천문각, 2011, pp. 283~290

2. Brown 외 5인 및 화학교재연구회 옮김, 일반화학 제 14판, Pearson 및 자유아카데미, 2019, pp. 570~576

3. 조병태, 유기합성화학, 자유아카데미, 2014, pp. 10~20, 22~23, 47~48, 225, 234~236, 271~272, 294

실험 결과 해석을 위해 필요한 개념

작용기

이성질체

유기합성

친핵성 아실 치환반응

에스터화

용매 용질 사이의 상호작용으로 인한 용해도 차이

1. Introduction

이번 실험에서는 르 샤틀리에의 원리를 이용해서 화학 평형의 이동에 대해서 살펴보고, 실험을 통해 평형상수의 값을 직접 구해본다. 다만, 착이온이 형성되는 반응에서의 평형상수를 특별히 형성상수라고 말하며 $K_f$로 표현하겠다. 우선, 이 실험에서 주로 이용하는 반응을 먼저 살펴보자. 이번 실험에서는 물을 리간드로 갖는 염화철 6수화물을 싸이오사이안산 암모늄과 반응시켜 착이온 $[Fe(SCN)]^{2+}$를 만든다. 이 반응에서는 중심이 되는 전이 금속 이온 $Fe^{3+}$와 리간드로 작용하는 $SCN^-$이 반응한다. 하지만 어떤 수용액 내에서 이온만 존재할 수 없으므로, 반응에 참여하지 않는 이온들을 갖고 있는 물질을 이용해서 반응을 진행한다. 이 반응과 형성상수를 표현하면 아래와 같다.

* 사용하는 용액들의 농도가 묽으므로 활성도를 묽은 농도와 같다고 생각할 수 있다.

이 반응에서 철의 리간드가 물에서 싸이오사이안산으로 바뀌기 때문에 반응 전 용액과 반응 후 용액의 색이 변하는 것을 관찰할 수 있을 것이다.

첫 번째 실험에서는 물질들의 농도에 변화를 주어 평형을 이동시킨다. 평형 상태에 놓여있는 상태에서 반응에 참여하는 물질의 농도를 변화시키면 르샤틀리에의 원리에 의하여 농도의 변화를 완화하려는 방향으로 평형이 다시 이동한다. 이는 물질을 새로 넣었을 때의 반응 지수와 형성 상수 사이의 크기를 비교했을 때 예상되는 반응의 방향과 동일하다. 이번 실험에서는 반응물로 작용하는 물질들을 추가로 넣기 때문에 정반응이 다시 발생할 것이다. 그리고 계를 구성하고 있던 착이온들의 농도가 달라지게 되므로 빛을 흡수하는 양이 달라져 우리가 색의 변화를 관찰할 수 있을 것이다. 한편, 물질의 농도를 변화시키는 평형의 이동은 계의 반응에 의한 열교환을 제외하면 주위의 온도가 변하지 않기 때문에 평형상수가 일정하다.

두 번째 실험에서는 평형 상수를 구하는 것을 목표로 한다. 특히 $Fe(SCN)^{2+}$ 생성 반응에서는 균일 평형 상수인 $K_f$를 구한다.  이 실험에서는 용액을 매우 많이 옮겨야 하므로 최대한 용액이 손실되는 일이 없도록, 사용한 용기는 최대한 깨끗이 씻어서 다음 용액을 사용할 때 영향이 없도록 한다. 분광분석기를 사용하지 못하기 때문에 생성된 착이온의 농도는 표준 용액을 제조한 뒤 비색법을 이용하면 구할 수 있다. 표준 물질에 대해 반응을 통해 $[Fe(SCN)]^{2+}$로 모두 전환되었다고 가정할 것이므로, 비색법을 이용해서 얻은 농도는 $[Fe(SCN)]^{2+}$의 농도인 것으로 간주할 것이다. 한편, 비색은 눈으로 관찰하는 방법이므로 최대한 같은 환경에서 색을 결정해야 한다. 그래서 시험관에 알루미늄 호일을 모두 감싸고 바닥에 흰색 종이를 두어 색을 비교할 것이다. 그리고 자를 이용해서 두 용액의 높이를 비교하면 아래의식을 통해서 우리가 구하고자 하는 용액의 $[Fe(SCN)]^{2+}$ 농도를 구할 수 있다.

반응 계수비에 따라 생성된 물질의 몰 농도를 알면 초기 물질들의 농도에 비하여 얼마나 물질들이 반응했는지를 알 수 있기 때문에 이를 이용해서 형성상수의 값을 구할 수 있다. 구한 농도 값을 $x$, 초기의 $Fe^{3+}$의 농도와 $[SCN^-]$의 농도를 각각 $a, b$라고 하자. 반응 계수비를 이용해서 평형 상수를 구할 수 있다.

2. Chemicals & Apparatus

1) Chemicals

2) Apparatus

시험관 (test tube), 10mL 눈금 실린더(graduated cylinder), 50mL 눈금 실린더, 스포이드(dropper), 시험관대(teset tube rack), 자, 100mL 비커(beaker), 25mL 부피 플라스크(volumetric flask), 알루미늄 호일, 흰종이

3. Procedure

실험 1. 화학평형 - 르 샤틀리에의 원리

1. 시료준비

시험관 2개에 증류수를 10mL씩 넣는다.

하나의 시험관에는 0.5M $FeCl_3$ 용액을, 다른 하나에는 1M $NH_4SCN$ 용액을 한 방울씩 가한다.

비커에 잘 혼합하고, 시험관 4개에 5mL씩 나눈다.

2. 농도의 영향 관찰

다음과 같이 각 화학종의 농도를 변화시키면서 색깔 변화를 관찰한다,

① reference (대조군)

② 0.5M $FeCl_3$ 2방울

③ 1M $NH_4SCN$ 2방울

④ 1M $NH_4Cl$ 10방울

이때 증류수 10mL에 0.5M $FeCl_3$ 한 방울 섞은 용액과 증류수 10mL에 1M $NH_4SCN$ 한 방울을 넣은 용액을 섞어 20mL 혼합 용액을 만들고. 이들을 4개의 시험관에 나누어 담는다. 하나는 비교를 위해 아무런 용액을 넣지 않으며, 나머지 시험관에 실험에서 지시한대로 ②~④ 용액을 넣는다.

실험 2. 평형상수의 결정

1. 표준용액의 준비 (용액 1)

1) 5개의 시험관과 비커에 1번부터 5번까지 번호를 매기고, 시험관대에 나란히 세운다.

2) 각각의 시험관에 10mL 눈금 실린더를 사용하여 0.0002M $KSCN$ 용액 5mL를 넣는다.

3) 0.2M $Fe(NO_3)_3$ 용액 10mL를 준비한다.

4) 0.2M $Fe(NO_3)_3$ 용액 10mL 중 5mL을 1번 시험관에 넣고 잘 섞는다. (이때, $SCN^−$이온은 전부 $FeSNC^{2+}$로 바뀌었다고 가정: $FeSNC^{2+}$을 1번 용액으로 사용)

2. $Fe^{3+}+SCN^−$ 용액 제조

1) 1-1)에서 남은 5mL $Fe(NO_3)_3$용액을 5배 묽힌다. (5mL를 취해서 25mL 부피 플라스크에 묽힌다. - 2번 용액

2) 묽힌 용액을 2번 시험관에 넣고 잘 섞는다.

3) 같은 방법으로 5배씩 묽혀서 3, 4, 5번 용액을 만들고 3, 4, 5번 시험관에 넣고 잘 섞는다.  ($Fe(NO_3)_3$의 농도가 0.002M $KSCN$ 보다 큼)

3. 비색법으로 평형농도 결정

1) 1번(표준용액)과 2번 시험관을 알루미늄 호일로 끝까지 감싸서 빛을 차단하고 아래쪽에 흰 종이를 깐다.

2) 두 시험관을 나란히 두고 위에서 시험관을 내려 보면서 두 시험관의 색의 세기가 같아질 때까지 피펫으로 1번 시험관에 든 표준용액을 비커로 옮긴 다음, 호일을 벗겨내고 1. 2번 시험관의 남은 용액의 높이를 측정한다.

3) 3, 4, 5번 시험관도 같은 방법으로 1번 시험관과 비교하여 실험한다. 이 정보들을 정리하면 아래와 같다.

<주의사항>

1) 호일을 시험관 끝까지 감싼다.

2) 색깔이 비슷한 것끼리 비색법을 이용한다.

3) 실험 1에서 용액이 잘 섞이도록 유리막대를 이용한다.

4) 시험관 높이가 아닌 mL를 측정해서 착이온의 농도를 구한다.

4. Data & Result

실험 1 화학평형 - 르 샤틀리에의 원리

실험 2 평형 상수의 결정

* 표준 용액에서 보두 착이온으로 반응했다고 가정했으므로 한계반응물 $SCN^-$이 $Fe(SCN)^{2+}$로 모두 전환되었다고 볼 수 있다.

** 반응물이 모두 반응했다고 가정했기에 형성상수 값을 구하는 것이 무의미하다.

1) 혼합용액의 농도 (①~④)

비색법을 이용해서 값을 구한다.

2) 형성상수$K_f$의 계산 (⑤~⑧)

3) 형성상수의 평균값 $K_{avg}$

4) 오차율

5) 불확정도

5. Discussion

이번 실험에서는 평형의 이동과 평형 상수의 값을 직접 구하는 2개의 실험을 진행한다. 평형 이동을 관찰하려면 기존에 평형 상태에 도달한 용액이 필요하기에 이를 먼저 제조했다. 사용한 스포이드의 한 방울이 갖는 부피가 다를 것이지만 이 실험에서 요구되는 것은 정량적인 계산이 아니기 때문에 한 방울씩 반응 물질을 넣는 것에 집중했다. 스포이드를 이용해서 용액을 넣을 때 시험관을 기울이게 되면 넣고자 하는 용액이 벽면을 타고 흐를 수 있다. 이를 방지하고자 시험관을 수직으로 들고 스포이드를 수면에 가까이 붙여 넣고자 하는 용액이 소실되지 않도록 했다.

실험 1에 대한 논의

$FeCl_3$ 용액과 $NH_4SCN$ 용액을 섞으면 혼합 전 각각의 용액이 나타냈던 색과 또 다른 색이 나타났다. 이는 반응 전에 순수하게 존재했던 착물 염화철 6수화물이 반응을 하며 그 양이 감소한 것이고, 새로운 착물 $Fe(SCN)^{2+}$가 형성된다. 그 결과 착이온들이 흡수할 수 있는 에너지의 양과 그 정도가 달라져서 용액의 색이 바뀐 것을 알 수 있다. 르-샤틀리에의 원리를 실제로 확인해보기 위하여 현재 평형 상태에 놓여있는 용액에 물질들을 가하여 평형에 변화를 주었다. $FeCl_3$ 용액과 $NH_4SCN$ 용액을 넣어주면 색이 변하는 것을 관찰할 수 있었다. 두 용액에서 착이온 형성 반응의 반응물로 작용했던 $Fe^{3+}$와 $SCN^−$가 있었기 때문이다. 이 반응의 형성상수는 다음과 같다.

각 실험에서 넣어준 $Fe^{3+}$와 $SCN^−$에 의하여 반응 지수가 형성상수 보다 더 작아지게 된다. 그래서 르-샤틀리에의 원리에 따라서 변화를 완화할 수 있도록 생성물이 생기는 방향으로 평형이 이동했을 것이다. 그 결과 평형 상태에 놓여있던 착이온들의 농도가 변하여 용액의 색이 변한 것을 확인할 수 있었다. 착이온 형성 반응에서 각 물질에 대한 반응 계수는 모두 동일하다. 하지만, 변화를 준 용액의 종류가 다르므로 평형에 도달할 때 농도의 변화 정도에는 차이가 날 수 있다. 실제로도 두 용액의 색이 붉은 계열로 나타난 것을 보다 변화의 방향은 같았음을 확인했다. 그러나 두 용액의 색에 차이가 있는 것을 보아 농도 변화의 정도에는 약간의 차이가 있었음을 확인할 수 있었다. 한편, $NH_4Cl$ 용액을 넣은 시험관에서는 반응이 발생했다고 판단할 수 있는 만큼의 색변화를 관찰할 수 없었다. 왜냐하면 $NH_4Cl$ 용액에 포함되어 있는 용액들은 착이온 형성에 영향을 주지 않는 이온들이기 때문에 평형에 변화를 주지 못했기 때문이다.

실험 2에 대한 논의

두 번째 실험은 정량적인 분석이 요구되며, 실험의 규모가 작기 때문에 최대한 정확하게 실험을 진행하려고 했다. 착이온의 형성을 통하여 관찰되는 용액의 색이 달라지는데, 분광분석을 이용하면 비교적 농도를 쉽게 결정할 수 있다. 그러나 분석 장비가 제공되지 않았기 때문에 비색법을 이용해서 농도를 구해야 한다. 비색법을 사용하기 위해서 표준 용액을 준비했다. 이는 0.2M $Fe(NO_3)_3$ 용액을 희석하지 않고 바로 $KSCN$ 용액에 넣어서 만들었다. 초기 용액들의 농도를 알고 있으므로 형성상수 값을 이용하면 평형 상태에 놓인 착이온 $Fe(SCN)^{2+}$의 농도를 알 수 있었다.

하지만 이번 실험은 형성 상수의 값을 구하는 것을 목적으로 한다. 그래서 이 반응에서의 반응 계수비는 모두 같은 것으로 보아 한계 반응물의 양만큼 착이온이 형성되었다고 ‘가정’했다. 이 표준 용액의 농도로 비색법을 적용하므로 비교한 용액들을 통해서 얻은 농도값을 $Fe(SCN)^{2+}$의 농도라고 생각했다. 비색법을 사용해서 농도를 비교할 때 눈으로 비교를 하는 만큼 시험관들의 환경을 최대한 똑같이 맞추었다. 우선 시험관에 빛이 들어가지 않도록 했다. 물체가 빛을 흡수하고 나머지 빛들을 우리가 관찰하는 것이므로 개입되는 빛의 양이 달라지면 색이 다르게 보일 수 있기 때문이다. 그리고 두 시험관의 색을 비교할 때 시험관 밑에 흰색 종이를 두어서 다른 색에 의해서 판단을 잘못할 가능성을 최대한 배제했다. 이 방법을 이용하여 반응되었다고 판단되는 양과 초기 물질의 양을 이용해서 형성 상수의 값을 구할 수 있었다. 그 결과, 이론적으로 구해졌어야 하는 갑에 대해 68% 오차율을 보였으며 불확정도가 220인 것을 확인할 수 있다. 오차율도 비교적 크고 불확정도가 유효 숫자에 영향을 충분히 미치는 것으로 보아 실험의 정확도와 정밀도가 다소 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 이 이유에 대해서 살펴보자.

우선 각 용액의 부피를 정확하게 측정하고 옮기지 못했기 때문에 문제가 발생할 수 있다. 이번 실험에서는 눈금 실린더를 이용해서 부피를 측정해야 했다. 하지만 50mL 눈금 실린더를 제공 받았디. 이눈금 실린더는 실험에서 지속적으로 5mL를 측정하라는 것에 비해 지나치게 컸고 5mL를 옮기기 위해서 피펫을 계속 사용했어야 했다. 스포이드를 사용해서 옮기는 과정에서 용액들이 소실되거나 기존에 묻어 있던 용액이 섞여 들어가서 부피나 농도에 변화가 생겼을 수 있다. 이와 비슷한 오차 원인은 부피 플라스크의 사용에서도 관찰할 수 있다. 이번 실험에서 용액을 희석하기 위해서 같은 부피 플라스크를 계속 사용했다. 부피 플라스크를 씻었지만, 미처 씻기지 못한 물질이 남아있었다면 용액의 농도에 변화를 주었을 수도 있다. 부피의 잘못된 측정 말고도 비색법을 이용할 때 잘못된 가정을 했기 때문에 오차가 발생할 수 있다. 앞서 이야기했듯 이번 실험의 목표가 평형 상수의 값을 구하는 것이기 때문에 표준 용액에서 생성물에 해당하는 착이온으로 모두 반응했다고 가정했다. 하지만 실제로 평형 상수를 이용해서 계산해보면 모두 다 반응하지 않았음을 알 수 있다. 실제로 반응한 양을 평형상수를 이용해서 살펴보자.

실제로 반응한 양과 우리가 반응했다고 가정한 값이 서로 다르다는 것을 알 수 있으며, 그 차이가 어느정도 있는 것으로 생각할 수 있다. 이는 또 다른 문제를 낳는다. 실제로 보이는 용액의 용액의 색과 우리가 가정한 용액의 색이 달랐다는 점이다. 우리가 관찰하는 용액의 색깔은 착이온들이 미처 흡수하지 못한 빛들이 혼합되어 나타내는 색과 같다. 그러나 우리가 예상한 것과 농도의 조성이 다르기에 그에 따라 나타나는 빛의 색도 달라야 한다. 하지만 우리는 이를 고려하지 않았으므로 기대한 용액의 농도와는 값이 달랐으며 오차가 발생했다고 볼 수 있다. 이 가정 말고도 또 다른 잘못된 가정이 오차를 불러일으켰을 수 있다. 이 가정은 스포이드를 통해서 표준 용액의 높이를 조절할 때 그리고 비색법을 사용할 때 $Fe(SCN)^{2+}$의 농도만 변한다고 생각한 것이다. 스포이드로 표준 용액을 덜어낸 후 농도를 구하고자 하는 용액의 높이와 표준 용액의 높이를 비교한다. 그 결과 구한 농도를  $Fe(SCN)^{2+}$의 농도라고 정해서 형성상수의 값을 구한다. 하지만, 용액의 색이 변하는 것은  $Fe(SCN)^{2+}$의 변화와 더불어 다른 착이온들의 농도변화도 영향을 미칠 수 있다. 즉 덜어낸 용액 속에  $Fe(SCN)^{2+}$만 있지 않고 반응물로 참여한 $Fe^{3+}$와 $SCN^-$의 양도 변하여 색을 변화시킬 수도 있다. 한편, 이번 실험에서 증류수가 아니라 일반 수돗물을 사용해서 수돗물 속의 불순물이 영향을 미칠 수 있다는 점, 비색법을 위해 용액의 높이를 측정하는 과정에서 호일을 계속 씌우고 벗기면서 완전히 빛이 차단되지 않아 정확한 색 비교에 어려움이 있었을 점, 계산을 위해서 변수들을 정리한 뒤 한번에 계산하지 않고 순차적 단계에 따라서 정리한 값들을 대입해서 형성 상수의 값을 구했는 등 다양한 요인들이 실험 결과에 영향을 미쳤음을 알 수 있다.

6. Reference

1. 대한화학회, 표준 일반화학실험 제 7판, 천문각, 2011, pp. 184~191

2. Brown 외 5인 및 화학교재연구회 옮김, 일반화학 제 14판, Pearson 및 자유아카데미, 2019, pp. 673~702, 1060~1087

3. John R.Rumble, CRC Handbook of Chemistry and Physics 85th edition, pp. 4-41, 4-78

필요한 개념

화학평형의 개념

평형 상수와 반응지수

불균일 평형과 용해도곱

화학 평형의 이동 - 르 샤틀리에의 원리]

베르의 법칙과 비색법

착화합물과 착이온의 색

1. Title

산화 - 환원 적정 : 과망간산법

2. Purpose

과망간산칼륨과 과산화수소의 산화-환원 반응을 이용해서 과산화수소의 순도를 결정한다.

3. Theory

Contents

산화와 환원 (Oxidation and Reduction)

- 산화 환원 반응을 설명하기 위해 도입한 산화수 개념을 살펴보고, 이를 이용해서 산화-환원 반응식을 완성하는 방법에 대해 살펴본다.

적정 (Titration)

- 양적 관계 분석에서 주로 사용되는 적정 실험에 대한 개념을 살펴보고, 적정 실험 설계시 유의해야 하는 점에 대해 살펴본다.-

산화-환원 적정과 종말점의 결정 (Redox Titration and Determinant of end point)

- 적정의 한 종류인 산화-환원 적정 실험 진행 시 실험 종료 지점을 결정하는 방법들에 대해 간단히 살펴본다.

산화와 환원 (Oxidation and Reduction)

1) 산화수의 의미와 결정 방법

물질들을 분자 단위에서 파악한다면 원자핵에 전자들이 구름처럼 분포하고 있는 것을 알 수 있다. 각 화합물을 구성하는 원자들의 전기음성도의 차이에 의하여 전자가 원자핵으로부터 분리될 수 있는 정도가 결정된다. 만약 어떤 반응에서 화합물 사이의 전자가 이동했다면 이 반응을 산화 환원이라고 한다. 이때 전자를 받은 화합물을 환원되었다고 하며, 전자를 잃은 화합물을 산화되었다고 한다. 반응에서 물질의 산화수 변화는 해당 반응의 산화 환원 여부를 파악하도록 돕는다. 산화수는 화합물에서 전자 분포가 완료되었을 때 중성 원자 상태에 대해 전자가 증감된 정도로 전자의 치우침 정도를 파악할 수 있다. 산화수는 다음과 같은 규칙을 통하여 결정할 수 있다.

① 고정된 산화수를 가질 수 있는 물질들이 존재한다. 알칼리 금속은 항상 산화수 +1을 갖는다. 알칼리토 금속은 항상 산화수 +2를 갖는다. 할로겐족 원소 중 플루오린 F는 항상 -1을 산화수로 갖는다.

② 홑원소물질에 대하여 전기적으로 안정된 원소는 0의 산화수를 가지며, 단원자이온은 해당 이온의 전하를 산화수로 갖는다.

③ 중성 화합물에 대하여 각 원자의 산화수의 합은 0이며, 다원자이온에는 각 원자의 산화수 합은 이온의 전하와 같다.

④ 이온결합 물질의 산화수의 경우 각 이온의 전하를 해당하는 원자의 산화수로 정한다.

⑤ 공유결합 물질은 전기음성도가 큰 물질이 공유 전자쌍을 모두 가져온다고 간주한다. 그러므로 전기음성도가 큰 물질이 가져온 전기전자쌍의 개수에  부호를 붙인 값을 산화수로 가지며, 전기음성도가 작은 물질이 빼앗긴 전기전자쌍의 개수의 +부호를 붙인 값을 산화수로 갖는다.

2) 산화 환원 반응에서 산화수 변화가 갖는 의미와 산화제와 환원제

산화수 결정 규칙을 이용하면 화학 반응에서 물질들의 산화수를 결정할 수 있다. 전자를 버리면 물질이 산화되기 때문에 산화수가 증가하며, 환원되면 산화수는 감소한다.

한편, 반응에서 물질 사이의 전자 이동은 상호작용적, 즉 전자를 버린 물질과 전자를 얻은 물질이 공존해야 하기 때문에 산화반응과 환원반응은 항상 동시에 발생한다. 이는 물질들이 서로 산화 및 환원됨을 의미하지만, 서로를 산화 및 환원시키는 것을 알 수 있다. 한 물질이 환원된다는 것은 다른 물질을 산화시키기 때문에 가능하며, 이 물질을 산화제라고 한다. 그리고 물질의 산화는 다른 물질을 환원에 의하여 발생할 수 있으며 산화를 위해 다른 물질을 환원시킨 물질을 환원제라고 한다.

3) 산화 - 환원 반응식 균형 맞추기

일반적으로 반응식의 균형은 질량 보존으로 맞춘다. 다만, 산화 - 환원 반응의 경우 단순하게 질량 보존만을 사용하면 균형 식을 얻기가 어려울 때가 존재한다. 이때는 산화 - 환원 반응에서 전자가 추가적으로 생성되지 않는 것을 이용하여 전자가 이동한 개수의 균형을 맞추면 된다. 이를 위하여 반쪽 반응과 반쪽 반응법에 대해 살펴보도록 하자.

① 반쪽 반응

일반적인 반응은 반응식을 전체적으로 해석하는 것이 유리한 경우가 많다. 하지만, 산화 - 환원 반응이 동시에 일어나는 것을 감안하여, 두 반응을 분리해서 표기할 수 있다. 이처럼 산화와 환원을 각각 분리하여 표현한 식을 반쪽 반응식이라고 한다. 이때 전자도 반응물이자 생성물처럼 고려하여 반쪽 반응식에 표기한다. 산화는 전자를 잃는 반응이므로 생성물에 전자를 표기하고, 환원은 전자를 얻는 반응이므로 산화와 반대로 반응물 쪽에 전자를 표기한다. 두 반쪽 반응에 표기된 전자의 수는 모두 같아, 두 반쪽 반응을 더했을 때 양쪽의 전자가 모두 소거될 수 있어야 한다.

② 반쪽 반응법 (반쪽 반응을 이용한 반응식의 완결)

반쪽 반응법은 반쪽 반응을 이용해서 전체 반응을 완성하는 방법이다. 다른 요소들을 모두 고려하면 어려우므로 우선, 산화 - 환원에 참여하는 물질들만 고려하면 보다 편하게 접근할 수 있다. 이 물질들을 발견했다면 다음 과정을 따라 반응식의 균형을 맞출 수 있다.

1st. 산화수 결정 법칙을 이용하여 산화, 환원에 참여하는 물질을 찾고, 산화 반쪽 반응과 환원 반쪽 반으로 분류한다.

2nd. 각 반쪽 반응의 균형을 맞춘다.

  ⅰ) 수소(H)와 산소(O)를 제외한 원소의 개수를 맞춘다.

  ⅱ) 산소의 개수를 맞추기 위해 물(H2O)을 가한다.

  ⅲ) 수소의 개수를 맞추기 위하여 수소이온(H+)을 가한다.

  ⅳ) 반응물과 생성물 부분의 전하량을 맞추기 위하여 전자(e−)를 가한다

3rd. 두 반쪽 반쪽 반응에서 교환한 전자의 수가 다를 때, 교환한 전자의 수를 최소공배수로 갖도록 각각의 반응을 정수배한다.

4th. 산화, 환원 반쪽 반응을 더하여 반응물과 생성물 부분에 공통으로 나타난 물질을 제거하여 가장 간단한 식을 얻는다.

5th. 반응물과 생성물 부분에 대해 전하량과 원자의 수가 동일한지 확인한다.

위의 규칙은 산성 수용액에서 반응이 진행되었다고 생각해서 나온 것이다. 만약 반응이 염기성 수용액에서 진행되었다면 논의해야 하는 바가 조금 달라진다. 큰 차이는 없으며 단지 마지막 과정에서 반응물과 생성물 부분에 존재하는 수소 이온의 개수만큼 수산화이온(OH−)를 더해서 식을 조정하는 것뿐이다. 반쪽 반응을 이용하면 복잡한 산화 - 환원 반응의 식을 보다 쉽게 완성할 수 있으며, 또한 전자의 이동을 파악하여 식을 보다 정확하게 이해할 수 있다.

적정 (Titration)

1) 적정의 개념

적정에서는 분석하고자 하는 물질(시험 물질)과 농도를 알고 있는 첨가물(표준 물질)과의 반응이 빠르게 일어나는 화학적 반응을 사용한다. 대개 산염기 적정, 침전 적정, 착물화법, 산화-환원 적정 4가지 종류를 많이 사용한다. 적정을 하려면 아래와 같은 조건들이 요구된다.

① 화학양론적(stoichiometric) 반응을 사용해야 한다. 이는 분석물과 적정 시약 사이의 반응은 알려진 반응이여야 한다. (반응식 및 계수 등이 제시되있어야 함을 의미)

② 빠른 반응이여야 한다.

③ 추가적으로 발생하는 반응이 없어야 한다. 만약, 주된 반응을 방해하는 물질이 있다면 그 값을 독립적으로 측정하여 전체 측정값에서 제외한 수수한 반응 물질의 양을 얻어야 한다.

④ 반응이 완결되었을 때 용액의 측정 가능한 성질이 뚜렷하게 변해야 한다. 이는 용액의 색, pH, 전기적 및 물리∙화학적 변화를 뜻한다.

⑤ 이론적으로 반응이 종료하는 지점인 당량점과 반응이 종결되었다고 판단되는 지점, 즉 용액 성질의 변화를 가시적으로 관찰할 수 있는 종말점이 거의 일치하거나 둘의 차이가 작아야 한다.

2) 표준화

표준 용액은 적정 결과값을 올바르게 해석할 수 있는 척도를 제시하므로 농도가 매우 정확해야 한다. 매우 순수한 물질(일차 표준 물질)의 무게를 최대한 정확하게 측정하고, 부피 플라스크에서 정확하게 측정한 부피로 묽게 만들어 표준 용액을 만든다. 이때 시료의 부피를 고려하여 표준 물질을 먼저 넣고 액체 물질을 넣어 부피를 맞추어야 한다. 만약 표준 용액으로 만들 물질이 충분히 순수하지 못하다면 얻고자 하는 농도를 갖는 용액을 얻고, 일차 표준 물질의 무게를 정확히 측정하여 표준화를 진행한다. 즉, 표준화는 적정에 사용하고자 하는 용액의 농도를 정확히 구하는 것을 뜻한다. 표준화에 사용하는 일차 표준 물질은 아래의 조건들에 부합해야 한다.

① 일반적으로 순도가 알려져 있지 않으면 약간의 불순물이 포함되는 것(0.01 ~ 0.02% 불순물)은 고려하지 않는다. 그러나 일차 표준 물질은 100.00% 순수해야 한다.

② 대부분의 일차 표준 물질은 건조를 진행한 후 사용하는데, 그렇기에 건조가 진행되는 온도에서 반응이 발생하면 안되며 실온에서는 무조건 안정해야 한다.

③ 쉽게 구할 수 있으며, 저렴한 가격에 구입이 가능해야 한다.

④ 큰 양에 대해서 무게를 측정하는 것이 작은 양에 대해 진행할 때보다 더 작은 상대 오차를 가지므로 분자량 값이 충분히 큰 물질이여야 한다.

표준화된 용액이 제공되었다면 실험 시 용이하지만, 그렇지 않다면 표준 물질을 직접 녹여서 표준화를 진행해야 한다. 일반적으로 표준화된 용액은 몰 농도로 표기하며, 경우에 따라 단위는 $mol/L$, $mmol/mL$ 등으로 사용한다.

표준 용액의 몰 농도를 알아보기 전에 균형 반응식을 이용하면 다음 관계가 성립한다.

① 표준화하려는 물질이 일차 표준 물질인 경우

표준화하려는 물질이 일차 표준 물질이라면 부피와 질량을 정확하게 측정한다면 표준 용액의 몰농도를 아래와 같이 바로 구할 수 있다. 화학식량을 $FW$, 질량을 $m$이라고 할 때, 다음 관계가 성립한다.

② 표준화하려는 물질이 일차 표준 물질이 아닌 경우

표준화하려는 물질이 일차 표준 물질이 아니여서 약간의 불순물을 포함한다면, 일차 표준 용액으로 만든 표준 용액으로 적정해서 농도를 정확히 구해야 한다. 실제로 사용하는 표준 물질을 T (해당 적정에서는 적정 시약으로 여겨진다), 적정에 사용하는 일차 표준 물질을 A라고 하자. 

두 식을 합치면, 표준 물질의 몰농도를 계산할 수 있다.

3) 적정을 할 때 사용하는 기구들의 특성 및 고려사항

적정을 진행할 때 대부분 유리기구를 사용한다. 일반적인 실험을 진행할 때 유리기구이기에 고려해야 할 점이 거의 없다. 그러나 실험실에서 진행하는 적정은 미세한 양으로도 결과가 크게 변할 수 있으므로 유리기구들이 갖는 특성을 이해하고, 이를 반영해서 실험을 진행하면 더 좋은 결과를 얻을 수 있다.

① 부피 플라스크

어떤 용액을 일정한 부피로 묽히고자 할 때 부피 플라스크를 사용한다. 부피 플라스크에 어떤 온도에서 어느 정도의 오차가 발생할 수 있는지 표기되어 있다. 부피 플라스크를 이용해서 용액을 묽힐 때 용매와 용질을 넣는 순서를 주의해야 한다. 유리는 흡착성이 좋기 때문에 용질을 먼저 넣으면 기대하던 농도보다 더 낮은 농도로 용액이 만들어 질 수 있으며, 기구가 오염되기 때문에 후에 기구를 사용할 때도 정확도가 떨어진다. 그렇다고 용매를 다 채우고 용질을 넣으면 용질의 부피 때문에 기대하던 용액의 부피보다 실제로는 부피가 더 큰 용액을 얻게 된다. 그래서 이 기구를 이용할 때는 용매-용질-용매 순서대로 넣어 목표하고자 하는 용액을 만들어야 한다.

② 피펫

피펫은 용액의 부피를 정확하게 옮기고자 할 때 사용한다. 그 용도에 따라 부피 측정 피펫과 눈금 피펫이 있다. 일반적으로 고무가 달려있는 피펫은 부피를 정확하게 측정하기 어렵다. 그래서 정확한 용액의

부피를 옮기고자 한다면 정교한 피펫을 이용하던가, 필러를 이용해야 한다. 피펫을 사용하기 전에 채울 용액으로 2번 이상 씻어야 한다.

③ 뷰렛

뷰렛도 용액의 부피를 정확하게 옮기고자 할 때 사용한다. 보통 뷰렛은 용액을 적정할 때 많이 사용한다. 뷰렛도 피펫과 마찬가지로 사용하기 전 뷰렛을 채울 용액을 이용하여 여러 번 세척하고 사용하는 것이 좋다.

④ 유리 기구를 사용할 때 유의해야 할 점

유리 기구도 기계 등에 의하여 제작되기 때문에 기대한 부피, 규격대로 제조되지 않을 수 있다. 그래서 미국 국립표준기술원(NIST)에서는 부피 측정용 유리기구들에 대한 절대오차 및 허용오차를 정해 두었다. 이것이 의미하는 바는 우리가 사용하는 유리 기구들이 완벽하지 않고 약간씩의 오차가 존재할 수 있다는 것이다. 이들은 부피 플라스크, 피펫, 그리고 뷰렛 각각에 대한 교정을 이용하여 실제 유리 기구들이 나타내는 값을 측정하여 보정할 수 있다. 또한 측정 부피를 읽을 때 용액의 메니스커스와 측정자의 눈높이를 수평으로 맞추어 눈높이 오차를 최소화해야 한다. 그리고 실험 후 오븐에 넣는 등 열을 받도록 건조하거나 오염이 발생할 수 있는 유기 용매 아세톤 등으로 세척하여 유리 기구의 교정된 값에 영향을 주지 않도록 유의해야 한다.

산화-환원 적정과 종말점의 결정 (Redox Titration and Determinant of end point)

산화 환원 적정은 크게 종말점의 결정과 적정 곡선의 분석이 중요하다. 그 중에서도 반응의 종결임을 알게 해주는 종말점의 결정은 더욱 중요하다. 산화 - 환원 적정의 종말점을 결정할 때는 전위차를 이용해서 검출하거나 지시약을 사용해서 검출한다.

① 전위차를 이용한 종말점 추정

적정을 하는 동안 계속 전자가 이동하므로, 이를 측정하면 전위 차가 발생할 수 있다. 이 전위차는 pH미터 등으로 측정할 수 있는데, 그 결과값으로 농도를 얻어낼 수도 있다.

② 지시약을 이용한 종말점 추정

산화 환원 적정 중 전자의 이동이 수반되므로 기준 전극에 대한 전위차를 이용하여 종말점을 판단할 수 있다. 하지만, 산 염기 적정과 같이 시각적으로 종말점을 바로 관찰할 수 있는 지시약을 사용하는 것이 더 유리하다. 지시약을 사용해서 적정할 때, 옆에 색 변화를 비교할 수 있는 용액을 옆에 두고 진행하면 종말점 관찰이 더 용이하다. 산화 환원 적정에서는 크게 3종류의 지시약을 사용할 수 있다.

ⅰ) 자체 지시약

이는 용액에 따로 지시약을 넣는 것이 아니라 색이 뚜렷한 적정 시약을 사용하는 것이다. 이는 적정 과정 중 발생하는 반응에 의하여 물질이 변하면 색의 변화가 수반되는 물질들의 특성을 이용한 것이다. 이때 종말점은 당량점의 한 방울 정도 뒤에서 관찰된다. 그러나 한 방울로 인해서 발생한 오차는 미미하며 적절히 보정을 하면 올바른 값을 얻을 수 있다.

ⅱ) 녹말 지시약

녹말 지시약을 사용할 때는 아이오딘을 사용한 적정에서 주로 사용한다. 아이오딘을 사용한 적정법에는 아이오딘(I2)을 이용해서 적정하는 직접아이오딘 적정법과 과량의 아이오딘화 이온(I−)을 산화제 용액에 가하여 간접적으로 아이오딘을 얻어 산화제를 분석하는 간접아이오딘 적정법이 있다. 이때 녹말 지시약을 사용하면 아이오딘과 착물을 형성하여 진한 푸른색이 관찰되기 때문이다. 적은 양의 아이오딘으로도 색 변화가 뚜렷하기 때문에 종말점을 쉽게 관찰할 수 있다.

ⅲ) 산화 - 환원 지시약

자체 지시약과 녹말 지시약은 비교적 쉬운 종말점 검출 방법에 해당하지만 그만큼 사용할 수 있는 범위가 제한적이다. 그래서 반쪽 반응의 전위를 이용하는 산화 - 환원 지시약을 주로 사용한다. 이 지시약은 약산 산화제 혹은 환원제이며, 산화되었을 때와 환원되었을 때의 색이 다르다. 다만 이 지시약은 색이 변하는 전이 범위가 존재한다. 그래서 중화적정과 유사하게 적정 곡선이 급하게 변하는 지점에 대해 고려하여 지시약을 선정해야 한다. 지시약의 색은 적정 도중의 전위에 의존하게 되는데, 이는 지시약에 대한 반쪽 반응과 Nernst식 사이의 관계를 이용해서 파악할 수 있다.

4. Chemicals & Apparatus

1) Chemicals

0.02M KMnO4 표준용액, 3% H2O2

2) Apparatus

100mL 부피 플라스크 250mL 삼각 플라스크, 10mL 피펫, 갈색 시약병, 온도계, 50mL 뷰렛, 중탕용 500mL 비커, hot plate, 저울, 100mL 눈금실린더

5. Procedure

우선 사용하는 과망간산칼륨 용액의 실제 농도에 대해 알 필요가 있으므로, 표준화 작업을 먼저 진행한다. 그 후, 표준화된 표준용액으로 과산화수소에 대한 적정 실험을 진행해서 미지의 과산화수소 용액의 농도를 결정한다. 

실험 1 과망간산 칼륨 용액의 표준화

* 더 빠른 중탕을 위하여 실험 시작 전 핫플레이트에 중탕할 비커를 먼저 올려놓아서 물이 끓는 시간을 최소화한다.

1) 순수한 옥살산나트륨 약 0.7g의 무게를 화학 저울로 정확하게 측정해서 100mL 부피 플라스크에 넣고, 소량의 증류수로 완전히 녹인 후에 눈금까지 증류수를 채우고 잘 섞어서 표준용액을 만든다.

2) 피펫으로 표준 용액 10mL를 정확하게 취해서 100mL 삼각 플라스크에 넣고, 60mL의 증류수와 1:1 황산 5mL를 넣어준다.

3) 삼각 플라스크를 온도가 70~80℃ 정도인 물중탕에 넣어 흔들어주면서 0.02M 과망간산칼륨 표준 용액이 담긴 뷰렛을 넣어서 적정한다.

(이때, 과망간산 칼륨을 너무 빨리 넣지 않도록 한다. 또한 삼각플라스크를 흔들어주면 과망간산 칼륨의 옅은 자주색이 없어진다. 뷰렛에 용액을 채울 때 깔때기에 급하게 부어 넘치지 않도록 한다.)

4) 과망간산 칼룸 용액 한 방울을 넣어 엷은 자주색이 30초 이상 남아있으면 종말점으로 한다.

(250mL 삼각플라스크에 같은 부피의 증류수를 담고, 과망간산 칼륨을 한 방울 떨어뜨려 실험 중 옆에 두면 색 변화 관찰에 도움이 된다.)

5) 적정 실험을 두 번 더 반복하여 과망간산 칼륨 용액의 정확한 농도를 결정한다.

(이때 끝나고 hotplate의 작동을 정지시켜야 실험 2를 식은 hotplate 위에서 진행할 수 있다.)

실험 2 과산화수소 용액의 정량

1) 3% 과산화수소 수용액 5mL를 정확하게 측정해서 100mL 부피 플라스크에 넣고 증류수를 눈금까지 채운다.

2) 이 용액 10mL를 정확하게 취해서 250mL 삼각플라스크에 넣고, 용액의 부피가 약 100mL가 되도록 증류수로 묽힌 다음 1:1 황산 10mL를 넣는다.

3) 뷰렛에 0.02M KMnO4 표준 용액을 넣고, 상온에서 삼각 플라스크를 잘 흔들어주며 적정한다. 실험 1과 같은 방법으로 종말점을 결정한다.

4) 적정을 두 번 더 반복해서 과산화수소 용액의 농도를 결정한다.

6. Data&Result

표기의 편의를 위해 아래첨자를 다음과 같이 정의하자.옥살산나트륨 : $OX$ 과망간산칼륨 : $PE$ 과산화수소 : $HP$

실험 1 과망간산 칼륨 용액의 표준화

사용한 과망간산 칼륨 용액의 부피 불확정도

\[\sigma =\sqrt{\frac{\sum (x_k-m)^2}{n-1}}\]

$x_k$ : 측정값

$m$ : 평균값

$n$ : 측정횟수

여기에 대입하면,

$\sigma = 1.2mL \rightarrow V_{PE}=10.3mL \pm 1.2mL$

옥살산나트륨의 무게($m_{OX}$) : 0.6999g

옥살산나트륨 용액의 농도 $M_{OX}$

\[M_{OX}=\frac{m_{OX}}{FW_{OX}\times V_{OX}}=\frac{0.6999g}{133.999g/mol\times 0.1L}\approx 5.223\times10^{-2} M\]

\[M_{PE}=\frac{2M_{OX}V_{OX}}{5V_{PE,avg}}=\frac{2\times (5.223\times 10^{-2}M)\times 0.100L}{5\times(1.03\times10^{-2}L)}\approx 2.03\times 10^{-2}M\]

실험 2 과산화수소 용액의 정량

사용한 과망간산칼륨 용액 부피 불확정도

\[\sigma \approx 0.2mL \rightarrow V_{PE}=8.8mL\pm 0.2mL\]

과산화수소의 농도 $M_{HP}$

\[M_{HP}=\frac{5M_{PE}V_{PE,avg}}{2V_{HP}}=\frac{5\times (2.03\times 10^{-2}M)\times 0.0088L}{2\times0.110L}\approx 4.1\times 10^{-3}M\]

7. Discussion

1) 실험 진행 이유 및 현상 발생 이유

적정을 올바르게 하기 위해서, 사용하는 표준 용액의 농도를 정확하게 결정해야 한다. 하지만, 이번 실험에서 표준 용액으로 사용되는 과망간산 칼륨은 일차 표준 물질이 아니기 때문에 불순물이 포함될 수 있다. 그래서 표준 용액에 포함된 순수한 과망간산 칼륨의 양을 결정하기 위해, 일차 표준 물질로 알려진 옥살산 나트륨 용액을 이용해서 적정을 진행했다. 우선 옥살산 나트륨을 이용한 표준 용액을 만들기 위하여 부피 플라스크를 사용했다. 고체 시료에 의한 부피를 고려하여 시료를 먼저 플라스크에 넣고 부피 눈금선까지 증류수를 채웠다. 시료가 모두 녹았다고 판단되는 지점에서, 적정을 위해 표준 용액 10mL를 추출하여 삼각 플라스크에 넣었다. 이 용기에 적정 시 발생할 반응의 반응물인 수소 이온을 넣기 위하여 염이 형성되지 않도록 1:1 황산을 넣어주었다. 그리고 혹시나 유리 용기 벽면에 시료가 묻을 수도 있기 때문에 물을 더 넣어 벽면을 씻음으로써 한번 모든 시료가 반응할 수 있도록 했다. 과망간산 칼륨과 옥살산 나트륨은 아래와 같은 반응을 진행한다.

이때 생성 결과로 이산화탄소 기체가 발생하는 것을 알 수 있었다. 용액 속에 기체가 섞여 있다면 표준 용액 속 과망간산 이온과 옥살산 이온이 충돌하는 것을 방해하여 적정 결과에 오차가 생길 수 있다고 판단했다. 과망간산 이온은 고온에서 다른 물질로 변할 수 있다. 그래서 반응물에 영향을 미치지 않는 선에서 계의 온도를 높게 유지하여 기체가 줄 수 있는 방해요인을 최소화했다. 또한 뷰렛을 이용할 때 부피를 정확하게 얻고자 뷰렛에 용액을 모두 채우고 적정을 진행했다. 그리고 뷰렛에 의해 들어오는 표준 용액의 부피가 작으므로, 적정 시약과 잘 반응할 수 있도록 stirring bar도 사용했다. 적정 결과 용액의 색이 바뀌는 것을 명확하게 확인할 수 있었다. 일반적으로 미약하게 용액의 색이 변했을 때를 기준으로 한 방울을 더 넣는 것을 종말점으로 하지만, 용액의 색 변화를 정확하게 관찰할 수 있었으므로 그 지점을 바로 종말점으로 결정하였다. 보다 정확한 과산화칼륨 용액의 농도를 얻고자 실험을 여러 번 진행하여 그 평균값을 적정에 사용된 부피로 결정했다.

표준화된 표준 용액으로 과산화 수소의 적정을 진행하였다. 전반적인 과정과 과정을 진행한 이유는 실험 1에서 과망간산 칼륨 표준 용액의 농도를 결정 지을 때와 거의 같다. 다만 과산화수소가 물과 산소로 분해될 수 있는 특성 때문에 한가지 점을 다르게 하였다. 일반적으로 반응은 계의 온도 높을 때 속도가 빨라진다. 그렇기에 높은 온도에서 적정을 진행하면 과산화수소가 분해되어 얻고자 하는 농도보다 더 낮은 값을 구할 수도 있다. 물론, 과산화수소의 분해 속도가 느린 편이지만 적정은 정확한 반응 관계를 요구하기 때문에 hotplate가 충분히 식은 뒤에 적정을 진행했다.

마찬가지로 적정이 끝난 뒤 실험 1에서 구한 표준 용액의 농도와 이번 적정 시 사용했던 표준 용액의 부피 등을 고려하여 과산화수소의 몰 농도를 결정했다.

2) 과망간산법 산화-환원 적정 실험과 이론적 수치

① 과망간산 칼륨 용액의 표준화 과정과 해당 용액의 몰 농도 구하기

적정 실험을 진행하기 위해서는 표준 용액을 만들어야 한다. 이때 다이크롬산 칼륨, 황산수소 세륨 등이 사용되나 과망간산 칼륨과 요오드가 가장 많이 사용된다. 다만, 과망간산 칼륨은 순수한 일차 표준 물질로 얻기가 어렵기 때문에 다른 일차 표준 물질로 먼저 적정을 해서 농도를 먼저 구하는 표준화 과정을 요구한다. 과망간산 칼륨은 빛을 받으면 분해될 수 있기 때문에 가능하면 갈색 유리로 된 뷰렛을 사용하는 것이 좋다.

이번 실험에서는 일차 표준 물질 옥살산나트륨 ($Na_2 C_2 O_4$)으로 과망간산칼륨($KMnO_4$)을 적정해서 정확한 농도를 얻는다.

다만 이때, 침전물이 발생하지 않으며 수소이온을 공급하기 위하여 황산을 같이 넣어준다. 이때 과망간산 칼륨은 진한 황산을 넣어주면 폭발성이 매우 큰 물질이 합성될 수 있기 때문에 황산을 충분히 묽혀서 사용하는 것이 중요하다. 또한 이 적정의 생성물로 기체 이산화탄소가 발생한다. 용액에 기체가 포함되어 있다면 반응해야 할 물질들 사이의 충돌을 방해할 수 있다. 이는 올바른 적정에 방해가 되므로 기체를 최대한 용액에서 제거해야 한다. 그래서 적정 과정 중 물을 중탕한다. 다만, 너무 뜨겁게 가열할 경우 과망간산 칼륨이 붕괴하여 용액의 농도가 변할 수 있으므로 주의한다. 두 물질이 반응할 때 알짜 이온들이 반응에 참여한다. 이 이온들의 산화수를 비교하면 산화되는 물질과 환원되는 물질을 구분할 수 있다. 이 물질들에 대해 반쪽 반응식을 완성하고 균형 반응식을 다음과 같이 얻을 수 있다.

과망간산 칼륨의 양이온과 음이온은 각각 1가를 구성하고 있으므로, 과망간산 이온의 몰수는 과망간산 칼륨의 몰수와 동일하다. 또한 옥살산이온이 2가 음이온이기에 옥살산나트륨의 이온과 옥살산 이온의 몰수는 같다. 여기서 옥살산나트륨이 표준 물질, 과망간산 칼륨이 적정 실험에서 사용할 표준 용액이므로, 앞서 살펴본 theory를 이용하면 이 표준 용액의 농도를 구할 수 있다.

실제 실험에서 사용될 옥살산나트륨과 과망간산칼륨 용액의 부피를 모르기에 어떤 값이 정확히 측정이 되어야 하는지는 정할 수 없다. 그러나 실험을 위해 제공받은 과망간산 칼륨의 농도가 이므로 이보다는 조금 더 낮은 수치의 농도가 얻어질 것을 알 수 있다.

② 과산화수소 용액의 정량과 농도 구하기

제공된 과산화수소 용액은 부피 플라스크와 삼각플라스크에서 묽혀진다. 과산화수소도 과망간산 칼륨을 이용해서 적정할 수 있다. 전체적인 실험 방법은 실험 1과 거의 유사하다. 다만 과망간산 칼륨과 과산화 수소 반응에서는 기체 산소가 발생되는 것이 차이점이다. 또한 이 적정은 지시약을 따로 첨가하지 않고 물질 자체의 색을 지시약으로 사용하는 실험 1에서 진행된 반응처럼 실제 반응에 참여하는 이온들에 대해 반쪽 반응식들과 균형 반응식을 얻으면 아래와 같다.

해당 적정에서도 위의 theory를 적용하면 사용한 용액의 농도를 구할 수 있다.

희석된 과산화수소의 농도는 실험 1에서의 과망간산 칼륨과 다르게 실험을 올바르게 진행했을 때 측정되어야 할 과산화수소의 몰 농도를 구할 수 있다.

실험 2에서 3% 과산화수소 용액은 2번의 희석 과정을 거친다.

결국 모든 과정을 거쳐 희석된 과산화수소의 몰 농도는 다음과 같다.

이때, 수용액이 부피로 표현이 되어있으므로 3% 과산화수소의 몰농도와 실제 에 들어있는 과산화수소 용액의 부피를 구할 수 있다.

그리고 $soln,B$에 들어있는 과산화수소 용액의 실제 부피는 5mL의 1/10에 해당하는 0.5mL일 것이다. 따라서 몰 농도와 부피 사이의 관계, 그리고 $V_{soln,B}=110mL$  인 것을 이용하면 희석된 과산화수소 용액의 몰 농도를 추측할 수 있다.

따라서 실험 결과로써 얻을 수 있는 희석된 과산화수소의 용액의 농도는 $4.03\times 10^{-3}M$정도로 나타날 것이다.

3) 실험 결과 및 오차 원인 분석

① 실험의 정밀도 및 정확도 파악

각 실험마다 3번씩 반복했기 때문에 불확정도를 통해서 실험 결과의 신뢰도를 살펴볼 수 있었다. 실험 1에서 얻은 불확정도는 1.2mL, 실험 2에서 얻은 불확정도는 0.2mL 정도였다. 실험 2의 불확정도는 비교적 작은 편으로 뷰렛의 눈금 1개 정도의 오차가 발생했다고 판단할 수 있다. 이는 부렛의 눈금을 실험자가 직접 읽어야 했으므로 이 점을 감안하면 비교적 실험이 정밀하게 진행된 것을 판단할 수 있다. 하지만 실험 1의 불확정도는 비교적 큰 편으로 실험이 정밀하게 진행되었다고 판단하기는 힘들다.

이번에는 이번 실험의 정확도를 살펴보도록 하자. 이번 실험 결과의 정확도를 판단해볼 만한 것은 표준화된 과망간산 칼륨 용액의 농도와 적정으로 얻은 과산화수소 용액의 농도다.

* 실험 레포트 및 실험실에서 제공한 용액들의 정보는 정확하다고 가정했다.

과망간산 칼륨 용액의 농도가 정확하게 얻어지지 않았음을 알 수 있다. 앞서 얘기했듯, 과망간산 칼륨은 적정에서 많이 사용하나 일차 표준 물질이 아니기 때문에 불순물이 포함되어 있다. 질량은 예측된 값보다 클 수도 작을 도 있다. 하지만, 불순물이 섞여 있다면 같은 부피에 대하여 예상된 몰수보다는 무조건 몰수가 작게 측정될 수밖에 없다. 그러나 이번 실험에서 얻어진 과망간산 칼륨 용액의 농도는 0.02M보다 더 큰 값으로 측정되었다. (제공받은 과망간산 칼륨 용액이 정확하게는 과망간산 칼륨만 얼마나 포함하고 있는지는 몰라서 오차율을 따질 수는 없지만 실험 값이 이론 값보다 큰 것을 통해서 오차가 있음은 명백하다. 다만, 실험 2의 결과는 실험 1에 종속적이기에 실험 1에서 발생된 오차가 후의 실험에 영향을 미친다. 실제 실험 2 결과를 봐도 과산화수소 용액의 농도가 이상적인 값보다 더 크게 나온 것을 확인할 수 있다.

② 실험 상 오차가 발생한 이유

실험 결과의 분석을 통하여 정확도 및 정밀도 측면에서 약간의 오차가 발생한 것을 알 수 있다. 이번에는 실험 과정 중 이러한 오차들일 발생할 수 있는 이유들과 어떻게 하면 더 올바른 값을 얻을 수 있었을 지에 대해서 생각해보자. 우선 유리기구들이 갖는 한계에 의하여 오차가 발생할 수 있다. 제작 시에도 어쩔 수 없는 오차가 발생할 수 있으며, 사용하는 유리기구들은 많은 사람들이 사용해옴에 따라 그에 의한 오염의 가능성 및 잘못된 세척 등으로 내부구조에 변화가 생길 수도 있다. 이런 점을 고려하지 않고 결과를 측정했기 때문에 오차가 발생할 수 있다. 이러한 오차들은 실험 전 유리기구를 교정하면 더 정확한 값을 측정하는 데 도움이 된다. 또한 적정 결과값을 사람이 직접 관찰하는 것이 오차 발생의 원인으로 작용할 수 있다. 우선 뷰렛과 눈금 실린더 등 부피를 측정할 때 눈으로 측정하기 때문에 오차가 발생할 수 있다. 또한, 적정의 종말점도 색의 변화를 통해 관찰한다. 정확한 종말점을 관측하기 위해서는 용액의 색이 약간 변할 정도를 종말점으로 결정해야 한다. 하지만, 직접 관측하기 때문에 필요한 양보다 과도한 표준 용액을 넣어서 종말점으로 정할 수도 있다. 이는 옆에 적정 시 사용하는 용기와 같은 부피, 그리고 같은 부피의 증류수를 담고, 과망간산 칼륨을 한 방울 떨어뜨려 옆에 두면 색 변화를 더 민감하게 관찰할 수 있다. 이는 더 정확한 종말점 결정에 도움이 될 것이다. 그리고 이번 실험에서 몰 농도를 자료로 사용하는데, 몰 농도는 온도의 영향을 받는다. hotplate를 이용하더라도, 적정을 할 때 온도가 약간씩 변할 수 있으므로 정확한 몰 농도를 계산하는 데는 약간 어려움이 있다. 즉, 구하고자 했던 용액과 실험을 통해 구한 용액에 같은 양의 용질이 있고, 부피가 동일했더라도 가열을 하는 과정에서 온도가 변하여 부피가 변할 수 있고, 이는 몰 농도 변화에 기인할 수 있다고 예쌍된다.  이번 실험에서 주요한 오차는 이 3가지이다. 추가적으로 용액을 옮길 때 용액이 미처 다 옮겨지지 못한 점, 실험 과정 중 발생한 기체들이 적정 시 반응을 방해할 수도 있는 점, 실험자의 숙련 미숙으로 실험을 같은 조건에서 진행하지 못한 점 등을 들 수 있다.

Ⅷ. Reference

1. 대한화학회, 표준 일반화학실험 제 7판, 천문각, 2011, pp. 132~138, 328

2. John R.Rumble, CRC Handbook of Chemistry and Physics 85th edition, pp. 4-61, 4-77, 4-85, 4-87

3. Brown 외 5인 및 화학교재연구회 옮김, 일반화학 제 14판, Pearson 및 자유아카데미, 2019, pp. 912~917.

4. Gary D. Christian 외 2인 및 분석화학교재연구회 옮김, 분석화학 제 7판, Wiley 및 자유아카데미, 2015, pp. 28~39, 158, 160~161, 163, 391~395, 427~433

Ⅰ. Title

재결정

Ⅱ. Purpose

산-염기 성질을 이용해서 용해도가 비슷한 두 물질 acetanilide와 Benzonic acid를 재결정을 통해 분리한다.

Ⅲ. Theory

1. 용해 과정

용액이 형성되려면 기존의 물질(용매)에 첨가한 물질(용질)이 균일하게 퍼져야 한다. 이러한 용액을 형성하는 물질의 능력은 1) 물질이 서로 섞이려고 하며 저항이 없는 상황에서 부피가 작은 물질이 부피가 큰 물질에 대해 확산되는 정도 2) 용해 과정에서 영향을 미치는 분자 사이의 상호작용의 정도에 의하여 결정된다.

1) 혼합에 대한 자연적인 경향성 (엔트로피)

혼합을 쉽게 이해하고자 우선 기체의 혼합 과정에 대해 고려해보자. 용기에 담긴 두 종류의 기체가 장벽으로 분리되어 있다고 하자. 만약 장벽을 제거하면 두 기체는 자발적으로 혼합되어 용액을 형성한다. 기체 분자들은 분리된 상태에 놓일 때보다 서로 섞여 무질서하게 분포할 때 더 큰 엔트로피 값을 갖기 때문이다. 기체의 혼합이 발생할 때는 계의 엔탈피는 거의 일정하다. 이는 기체 분자 사이에는 상호작용이 거의 없기 때문이다. 하지만 기체와 달리 용매 혹은 용질이 고체나 액체일 때는 분자 사이의 상호작용이 용액의 형성에 중요한 비중을 차지한다. 분자사이의 힘과 이와 관련된 에너지는 계의 엔탈피를 구성한다. 그리고 계의 엔탈피 감소는 분자 사이의 상호작용 증가를 의미한다. 이렇듯 어떤 반응이 자발적인지, 비자발적인지를 결정하는 데에는 엔탈피의 변화량과 엔트로피의 변화량을 동시에 고려해야 한다.

2) 분자간 힘이 용액의 형성에 미치는 영향

용액을 구성하는 용매와 용질 입자 사이에 작용할 수 있는 분자간 힘의 종류에는 분산력, 쌍극자-쌍극자 인력, 수소 결합, 이온-쌍극자 결합 등이 존재한다. 이 힘들은 용매와 용질을 구성하는 물질이 어떤 물질인가에 따라 결정된다. 용액이 형성되는 과정에서 3가지 분자간 상호작용을 고려해야 한다. ① 혼합을 위해선 용질 입자 사이의 거리가 충분히 멀어져야 하며, 이는 용질 입자들 사이의 상호작용을 극복해야 함을 의미한다. ② 마찬가지로 용질이 분산되려면 용매 입자 사이의 거리가 충분히 떨어져야 하며, 이는 용매 입자들 사이의 상호작용을 극복할 힘이 필요한 것을 뜻한다. ③ 용질과 용매 각각의 입자 사이의 거리가 멀어진 상태에서 용질과 용매 입자들 사이에서 상호작용이 발생해야 두 물질이 섞일 수 있다. 용액의 형성은 이 3가지 분자간 상호작용의 상대적인 크기에 의하여 결정된다. 용액은 용매 상의 상호작용과 용질 사이의 상호작용의 전체적인 세기보다 용질과 용매에 작용하는 상호작용의 힘의 크기가 더 클 때 형성된다. 

3) 용액 형성의 에너지론

이제 용액 형성에 미치는 두 인자를 고려하여 용액 형성을 에너지 관점에서 살펴보도록 하자. 대부분의 경우 용해 반응이 발생할 때, 엔탈피의 변화도 같이 발생한다. 엔탈피의 변화를 살펴보기 위하여 헤스 법칙을 이용해보자. ① 뭉친 용질 입자들이 각각의 입자로 분리되는 과정에서 수반되는 엔탈피 변화를 ∆H용질 이라고 하자. 용질 입자 사이의 인력을 끊어야 하므로 열에너지를 흡수하는 흡열 과정이며, 이는 ∆H용질>0 을 의미한다. ② 뭉쳐 있는 용매 입자들도 각각 입자로 분리되는 과정 중 발생하는 엔탈피 변화를 ∆H용매 라고 하자. 용질 입자의 엔탈피 변화와 마찬가지로, 용매 입자들도 입자간 인력을 극복해야 하므로 에너지를 흡수해야 한다. 이는 ∆H용매>0 를 뜻한다. ③ 용질과 용매 입자가 혼합될 때 발생하는 엔탈피 변화를 ∆H혼합 이라고 하자. 용질과 용매가 혼합되는 것은 물질 사이의 인력으로 인해서 보다 안정해지는 것을 의미하므로 에너지가 방출되는 발열 과정이다. 이는 ∆H혼합<0 을 의미한다. 용액 형성에서 발생하는 엔탈피 변화를 ∆H용액 이라고 하자. 이는 ①~③에서 정의한 엔탈피 변화의 총합을 의미하며 수식으로 표현하면 다음과 같다.

∆H용액=∆H용질+∆H용매+∆H혼합

∆H용액 의 부호를 파악하면 해당 용액이 형성될 수 있는지 파악할 수 있다. 만약 ∆H용액<0 이라면, 해당 용액은 쉽게 발생하는 경향이 있다. ∆H용액>0 이더라도 용액이 형성될 수는 있지만 만약 이 크기가 너무 크다면 용액이 형성되기는 쉽지 않다. 이를 밑의 그림으로 살펴보자.

형성된 용액이 이온성 수용액이라면 용액 형성의 엔탈피 변화를 조금 다른 관점에서 살펴볼 수 있다. 이온성 수용액의 경우 용매가 물이고 용질이 이온결합 물질이다. 우선 용질에 대해 먼저 살펴보자. 용질이 분리될 때 발생하는 에너지는 격자 에너지와 같다. 즉, ∆H용질→∆H격자 로 표현할 수 있다. 이온 사이에 작용하는 정전기적 인력을 극복해야 하기 때문에 ∆H격자>0 이다. 그리고 용매의 분산과 수화 과정이 거의 동시에 발생하기 때문에 ∆H용매+∆H혼합 을 동시에 생각하며 이를 ∆H용매+∆H혼합→∆H수화 로 표현할 수 있다. 물속에 분산된 이온은 용매에 둘러싸이며 안정해지기 때문에 수화과정은 발열 과정이고 ∆H수화<0 이다. 이를 종합하여 용액이 만들어 질 때 발생하는 엔탈피를 다음과 같은 수식으로 바꾸어 표기할 수 있다.

∆H용액=∆H격자+∆H수화

이온결합 물질이 물에 용해되어 형성된 용액은 그 과정에서 에너지를 방출하기 때문에 상온에서 쉽게 용액이 형성된다.

한편, 발열 용해 과정과 흡열 용해 과정과 달리 엔탈피의 변화가 거의 발생하지 않으면서도 용액의 형성될 수 있는데, 이는 엔트로피의 증가로 설명할 수 있다. 헵테인과 펜테인을 예로 들어보자. 이 두 물질은 모두 무극성이여서 ∆H용질+∆H용매 의 크기가 ∆H혼합 의 크기와 비슷하다. 그래서 ∆H용액≈0 이다. 하지만, 물질은 서로 혼합될 때 더 큰 엔트로피 값을 가지며, 자연계에서 반응은 엔트로피가 증가하는 방향으로 발생하기 때문에 자발적으로 용해가 발생한다.

2. 용해도와 용해 정도에 따른 용액의 종류

1) 용해와 결정화

용해 과정은 용매 물질에 용질 물질이 혼합되어 퍼지는 과정을 의미한다. 하지만 용매에 용질이 혼합될수록 용질입자끼리 서로 부딪혀서 다시 원래 용질 상태로 돌아가는 반응도 증가한다. 이렇듯 용액 형성의 역반응, 즉 용매에 혼합된 용질 입자가 다시 용질의 덩어리로 석출되는 과정을 결정화(crystallization)라고 한다. 이 과정을 반응식으로 표현하면 다음과 같다. (표기상의 어려움으로 정반응과 역반응을 따로 표기하였다.)

용해 반응이 발생하는 속도와 결정화 반응이 진행되는 속도가 같을 때 해당 용액은 동정평형(dynamic equilibrium)을 이루었다고 한다. 또한 일정한 온도에서 특정한 양의 용매에 대하여 동적평형에 이르기까지 필요한 용질의 양을 용해도(solubility)라고 한다.

2) 용해도에 따른 용액의 종류

포화용액(saturated solution)은 용매에 대하여 동적평형을 이루고 있는 용액을 의미한다. 만약 포화용액에 용질이 더 가해진다면 그 용질은 더 이상 녹을 수 없다. 반면, 포화용액을 형성하는데 필요한 용질의 양보다 더 적은 양의 용질을 녹여서 만든 용액을 불포화용액(unsaturated solution)이라고 한다. 한편, 높은 온도에서 형성한 포화 용액을 식혀서 용액을 제조하는 경우 등 특별한 조건에서 해당 온도의 용해도에 따른 용질의 양보다 더 많은 용질이 녹은 용액이 있는데 이를 과포화용액(supersaturated solution)이라고 한다. 과포화용액은 매우 불안정한 상태에 놓여있다. 그래서 결정씨(seed crystal)를 이용하거나 용기에 충격을 주어 과포화용액에 자극을 준다면, 여분의 용질이 결정화되어 과포화용액이 포화용액으로 바뀐다.

3. 용해도에 영향을 주는 요인

용해도는 일정한 값이 아니라 특정한 변수들의 조작으로 인하여 충분히 변할 수 있는 수치다. 용해도는 크게 분자구조에 의한 용질과 용매의 상호작용의 차이, 온도, 그리고 기체의 경우 압력에 의해서도 용해도 값이 변한다.

1) 용질과 용매의 상호작용으로 발생하는 용해도 차이

앞서 살펴봤듯이 용해과정을 이해하려면 용매 사이의 인력, 용질 사이의 인력, 그리고 용질과 용매 사이의 인력 사이의 관계를 고려해야 한다. 하지만 특별한 경우를 제외고는 용액 형성에는 용질과 용매 사이의 상호작용이 큰 영향력을 미친다.

용매와 용질의 상호작용을 극성 사이의 관계에 대해 살펴보기 위하여 특정 온도에서 물과 헥세인에 대한 알코올의 용해도를 살펴보도록 하자. 이때 ∞ 는 용질이 용매에 완전히 섞일 수 있음을 의미한다.

알코올은 극성을 나타내는 원자단인 -OH를 가지고 있어서 극성을 띠는 물에는 항상 잘 녹을 것처럼 보인다. 하지만, 기대와는 달리 탄화수소 사슬의 길이가 특정 값 이상을 나타내면 극성 용매에 대한 용해도보다 무극성 용매에 대한 용해도가 더 큰 값을 보인다. 이는 분자 내에서 극성 부분과 무극성 부분이 갖는 전자구름의 영역의 상대적 크기의 차이에 의하여 발생한다.

위의 그림은 알킬기의 길이가 충분히 차이나는 두 알코올의 전자구름 분포를 도식화한 것이다. 탄화수소 사슬의 길이가 짧다면 -OH가 차지하는 전자구름 영역이 커서 극성 용매와 쉽게 상호작용할 수 있다. 하지만, 탄소수가 증가하면 극성을 띠지 않는 영역의 전자구름의 크기가 더 크기 때문에 알코올이 물을 쉽게 끌어당기지 못하여 용해도가 감소하며, 오히려 무극성 용매인 헥세인에 대한 용해도가 증가하는 것을 알 수 있다. 이 점을 통하여 3가지 사실을 알 수 있다. 첫 번째로 분자 사이의 인력은 전자구름의 분포에 영향을 받는데, 용질과 용매가 갖는 분자간 인력의 종류가 유사할 때 쉽게 용해가 된다. 이 현상을 ‘비슷한 것은 비슷한 것을 녹인다’(like dissolves like)라고 표현할 수 있다. 그리고 용해도를 살펴보려면 용질의 분자구조와 전자구름의 분포 또한 살펴보아야 한다. 마지막으로 특정 용질이 극성 용매에만 또는 무극성 용매에만 녹을 수 있는 것이 아니라 전자구름에 의한 상호작용에 의하여 극성과 무극성 용매 모두에도 녹을 수 있음을 알 수 있다.

한편, 기체 용질의 경우 기체 분자의 분자량도 물에 대한 용해도에 영향을 미친다. 일반적으로 기체 물질의 분자량이 크면 분산력도 크기 때문에 용매와 용질이 서로 더 쉽게 끌어당길 수 있다. 이는 용액이 더 쉽게 형성될 수 있음을 뜻한다. 즉, 기체의 크기 혹은 분자량과 물에 대한 기체의 용해도는 비례한다.

2) 압력에 의한 효과

용질이 고체나 액체인 경우, 외부의 압력이 변하더라도 용해도가 크게 변하지 않는다. 왜냐하면 어떤 물질이 고체 혹은 액체 상태라면 각 상태에서 물질은 고유한 부피를 차지하고 있으며, 이 부피는 압력에 의하여 쉽게 변하지 않기 때문이다. 그러나 기체 상태의 물질의 경우, 외부 압력의 변화에 민감한 영향을 받으며 이는 기체 물질의 용질이 압력에 의해 용해도가 변하는 이유를 설명한다. 기체의 용해속도와 탈출속도가 같을 때 용액은 평형을 이룬다. 일반적으로 용매 위의 있는 기체 용질의 비율의 증가, 즉 기체의 부분압력이 커질수록 용매에 대한 기체의 용해도도 증가한다. 만약 용매와 기체가 들어있는 실린더에 압력이 작용한다면 실린더의 부피는 감소하며 내부의 압력은 증가한다. 그 결과 기존 평형 상태보다 기체 분자들이 수면에 더 부딪힐 수 있게 되어 용매에 녹는 기체의 양은 다시 평형을 이룰 때까지 증가한다. 이와 같이 일정한 온도에서 액체 용매에 대한 기체의 용해도는 용매 위의 기체의 부분압력에 비례하는 것을 알 수 있으며, 이를 헨리의 법칙 (Henry’s law)라고 한다. Sg 를 용매에 대한 기체의 용해도, Pg 를 용매 위에 존재하는 기체의 부분압력, 그리고 k 를 Henry 법칙 상수라고 할 때, 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.

Sg=kPg

3) 온도 변화에 의한 효과

고체 용질과 기체 용질에 대하여 용해도는 비교적 다른 양상을 보인다. 우선 고체 용질의 용해과정은 대부분 흡열 과정이기 때문에 용액에 가해진 열이 증가하여 용액의 온도가 상승한다면 용해도도 증가한다. 예외적으로 Ce2(SO4)3는 용해과정 중 열을 방출하기 때문에 용액의 온도가 증가하면 용해도가 감소하는 것을 보인다. 기체 용질의 경우 용액이 열을 받으면 기체의 평균 분자 운동 에너지가 증가한다. 이는 기체가 기존보다 더 쉽게 용매에서 탈출할 수 있음을 뜻한다. 따라서 기체가 용질인 경우 용액의 온도에 대하여 기체의 용해도는 반비례관계를 나타낸다.

4. 순물질과 혼합물의 가열곡선

가열곡선은 가해준 열과 계의 온도 사이의 관계를 나타낸다. 가열곡선을 이용하면 물질의 상태, 물질의 온도가 상승할 때 필요한 열의 양, 상태가 변화할 때 필요한 열량 등을 알 수 있다. 일반적으로 물질이 열을 받으면 온도가 올라가므로 가열곡선은 대개 우상향하는 개형을 나타내지만, 가열하는 물질이 순물질일 때와 혼합물일 때 그 양상이 조금 다르게 나타난다.

1) 순물질의 가열곡선

이해를 돕기 위하여 순수한 물을 가열했을 때 나타나는 곡선에 대해 살펴보자. 가열 곡선은 크게 기울기가 0인 부분과 기울기가 양수인 부분으로 나누어서 볼 수 있다. 우선, 받은 열의 양과 관계없이 온도가 일정한 부분을 알아보자. 이 부분은 물질의 상태가 변하는 구간으로 물질이 열을 받더라도 그 열을 물질의 온도를 높이는데 사용하지 않고 물질의 상태를 바꾸는데 소비한다. 이 구간에서는 서로 다른 상태를 띠는 물질이 공존하며, 물의 경우 첫번째 상 변화 구간에서는 얼음과 물이, 두 번째 수평 구간에서는 물과 수증기가 같이 존재한다. 반면 가열된 만큼 온도가 올라가는 것을 보여주는 기울기가 양수인 부분에서는 물질이 항상 한 가지 상태로만 존재한다.

2) 혼합물의 가열곡선

혼합물의 가열 곡선은 순물질의 가열곡선과 조금 다른 양상을 보인다. 물과 에탄올을 혼합한 용액을 대상으로 살펴보자. 물과 에탄올을 혼합한 경우, 순물질의 가열곡선과 달리 기울기가 매우 작은 구간이 존재한다. 이 구간은 혼합물에서 끓는점이 낮은 물질의 상변화가 발생하는 구간이다.

에탄올은 물보다 끓는점이 낮기 때문에 물보다 먼저 끓을 수 있다. 에탄올은 끓는점에 도달하면 그 이후부터 받은 열을 상태가 변화하도록 사용하여 온도 변화에 영향을 미치지 않는다. 하지만 물은 에탄올의에 끓는점에서 기화하지 않으므로 가열된 만큼 받은 열을 물의 온도를 증가하는데 사용한다. 따라서 순물질과 달리 혼합물이 가열되어 더 낮은 온도에서 끓는 물질의 끓는점에 도달해 상태가 변화하더라도 온도가 일정하지 않으며, 온도가 계속 증가하는 구간을 확인할 수 있다.

3) 순물질과 혼합물의 가열곡선 경향성의 차이와 물질의 순도 파악

4-1), 4-2)를 통해서 혼합물의 경우 물질의 상태가 변하더라도 온도가 일정하지 않고 온도가 특정 범위에서 변화하는 것을 알 수 있다. 이 성질을 통해서 물질의 순도에 대해 파악할 수 있다. 얻으려고 하는 물질에 불순물이 포함되어 있다면, 가열되어 상태가 변할 때 온도가 상승한다. 만약 불순물이 많이 포함되어 있다면 상변화시 측정되는 온도 구간이 넓어지며, 순수한 물질일수록 이 구간의 넓이는 줄어든다. 하지만, 보다 확실한 논의를 하려면 일반적인 온도계의 사용이 아닌 가열 시간에 대해 온도 변화를 정확하게 측정할 수 있는 기구를 이용해야 한다. 일반적인 온도계를 사용하면 정확하게 온도 변화의 경향성이 달라지는 지점을 정확하게 측정할 수 없기 때문이다.

5. 재결정의 이해

이번에 진행하는 실험에서 아세트아닐라이드와 벤조산의 혼합 시료를 온도와 pH에 따른 용해도의 차이를 이용하여 순수한 아세트아닐라이드와 벤조산을 분리한다. 이번 실험을 도식화해서 표현하면 다음과 같다.

물에 대한 아세트아닐라이드와 벤조산의 용해도, 각 물질의 분자량 등 정보를 이용해서 분리 과정 중 고려해야 하는 반응들과 필요한 시료의 양들에 대해서 알아보자.

1) pH에 의한 용해도 변화를 이용한 벤조산 용해 및 필요한 3M NaOH 수용액의 부피

상온(25℃)에서 벤조산의 용해도는 3.4g/L, 아세트아닐라이드의 용해도는 5.4g/L으로 물에 잘 녹지 않는 것을 알 수 있다. 물에 대한 용해도나 온도에 의한 용해도 차이가 크기 않아서 단순한 온도에 의한 용해도 차이를 이용하면 시료를 분리할 수 없다. 그래서 벤조산이 pH에 의하여 용해도가 달라지는 것을 이용하여 벤조산과 아세트아닐라이드의 용해도를 차이를 두고 시작한다. 물에 의한 용해도가 낮기 때문에 시료와 물을 혼합하더라도 큰 변화를 관찰하기 힘들다 하지만, NaOH 수용액을 첨가하면 상황이 달라진다. 벤조산의 분자식은 C7H6O2이지만, 시성식으로 표현하면 벤조산은 C6H5COOH로 카복시기를 포함하고 있는 카르복실산이기 때문에 산성을 띠는 물질임을 알 수 있다. 그래서 염기성을 띠는 수산화나트륨과 벤조산이 반응하면 중화반응이 일어난다. 한편, 벤조산은 약산이기 때문에 벤조산에서 유래한 이온은 물과 반응하여 다시 벤조산으로 돌아가고자 한다. 벤조산과 NaOH에 대한 반응식과 생성된 염에 대한 염의 가수분해 반응은 아래와 같다.

 만약 벤조산을 중화하기 위해 필요한 NaOH를 딱 맞게 첨가하면 염의 가수분해에 의하여 남아있는 벤조산이 있을 수 있으며, 이는 시료에 완전한 분리에 방해가 된다. 그래서 중화하는데 필요한 양의 1.5배에 해당하는 NaOH 수용액을 넣어서 염의 가수분해 반응을 방지하여 벤조산이 모두 녹을 수 있도록 한다.

이제 3M NaOH 수용액을 얼마나 넣어주어야 하는지 살펴보도록 하자. 벤조산과 아세트아닐라이드 혼합 시료 2α g 중 50%를 벤조산이라고 가정하므로, 시ㅇ료 속 벤조산의 질량을 α g 이라고 할 수 있다. 벤조산의 분자량은 122.122g/mol 이므로 시료 속 들어있는 벤조산의 몰수는 α/122.122mol 이다. 한편, 벤조산이 모두 반응하기 위하여 반응 몰수비에 따라서 α/122.122mol 이 필요하다. NaOH 수용액의 몰 농도가 3M이므로 필요한 부피를 V라고 했을 때 다음 식이 성립한다.

분리를 위해서 사용한 시료의 양이 1g 이므로 α=0.5 를 위의 식에 대입하고 완전한 벤조산의 용해를 위하여 중화에 필요한 용액의 부피의 1.5배를 하도록 한다.

따라서 벤조산의 용해를 위하여 3M NaOH 수용액이 2.0mL정도 필요하다. 만약 시료를 정확하게 1g 으로 사용하지 못했다면, 측정된 수치의 절반을 α 에 대입하면 실험을 진행할 때 필요한 수산화나트륨 용액의 양을 알 수 있다. 하지만 시료 자체가 완벽한 균일 혼합물이 아니기에 시료를 덜어서 사용할 때 해당 시료 중 벤조산이 50% 이상을 차지할 수 있기 때문에 염기성이 아니라면 NaOH 수용액을 조금 더 넣어주면 된다.

2) 온도에 의한 용해도 변화를 이용한 아세트아닐라이드의 석출

NaOH를 충분히 넣었다면 해동 용액에서 고체상태로 남아있는 물질은 아세트아닐라이드 또는 불순물이 남아있다. 아세트아닐라이드의 용해는 흡열반응이기 때문에 높은 온도의 물에서 더 많이 녹을 수 있다. 물이 증발되지 않도록 충분히 높은 온도에서 시료가 들어있는 용액을 가열하면 아세트아닐라이드보다 용해도가 낮은 불순물을 제외하고는 모두 녹을 수 있다. 만약 해당하는 불순물이 존재한다면 거름과정을 통해서 걸러주면 된다. 아세트아닐라이드조차 녹은 용액을 다시 식히면 용해도의 변화에 의하여 녹아 있던 아세트아닐라이드가 다시 결정형태로 석출된다. 이때, 용액을 지나치게 빨리 냉각해서 아세트아닐라이드 사이에 불순물이 섞이거나 결정이 너무 작게 형성되지 않도록 유의한다. 결정을 다시 거르고, 다시 결정화된 아세트아닐라이드가 용해되지 않도록 차가운 물을 이용해서 표면에 붙어있을 벤조산 나트륨을 최대한 제거하면 순수한 아세트아닐라이드를 얻을 수 있다.

3) pH와 온도에 의한 용해도 변화를 이용한 벤조산 재결정 및 필요한 5M HCl 수용액의 부피

아세트아닐라이드를 석출한 용액에는 NaOH에 의하여 용해된 벤조산이 존재하며, 용액을 다시 산성으로 바꾼다면 대부분의 벤조산은 용해되지 못하여 석출된다. 거른 용액에 5M HCl 수용액을 넣었을 때 발생하는 반응들과 벤조산을 모두 석출하기 위하여 필요한 HCl 수용액의 양을 살펴보자.

NaOH에 의해 용해된 벤조산의 몰수에 대해 α/122.122mol=t mol 이라고 하자. 반응 몰수비에 따라서 벤조산 나트륨은 t mol 이 있을 것이며, 용해시키는데 사용하고 남은 NaOH가 0.5t mol 이 있을 것이다. 벤조산 나트륨을 모두 벤조산으로 석출하기 위하여 남아있던 NaOH와 벤조산 나트륨과 모두 반응해야 하므로 HCl 1.5t mol 이 필요하다. 즉, 아세트아닐라이드 석출과정에서 넣어주었던 NaOH의 몰수만큼 HCl을 넣어주면 된다. t에 원래 값을 대입하고, HCl의 몰 농도가 5M이라는 것을 감안했을 때, 다음 식을 세울 수 있다. 필요한 HCl 수용액의 부피를 V라고 하자.

완전한 산성을 위하여 1mL를 첨가하는 것과 시료에서 α=0.5 라고 가정하므로 이를 대입해서 계산하면 필요한 5M HCl 수용액의 부피를 알 수 있다. 이를 V’라고 하자.

따라서 2.2mL 정도의 5M HCl 수용액이 필요하며, 이를 첨가하면 벤조산을 얻을 수 있다. 벤조산이 포함된 용액을 다시 가열하여 물에 대한 벤조산의 용해도를 높여 벤조산을 모두 녹인다. 시료에 첨가된 벤조산의 양에 따라서 물의 양이 충분하지 않을 수 있으므로 벤조산이 모두 녹을 때까지 물을 넣고 끓지 않게 가열한다. 앞서 아세트아닐라이드를 가열했던 것과 같이 최대한 순수한 벤조산을 얻도록 천천히 냉각하며, 재결정된 물질을 거르면 순수한 벤조산을 얻을 수 있다.

Ⅳ. Chemical & Apparatus

1. Apparatus

저울(weighing machine), 오븐(oven), 가열판(hot plate), 비커 100mL 2개, 눈금 실린더(measuring cylinder), 피펫(pipette), 유리 막대(glass rod), 시계 접시(watch glass), 온도계, 뷰흐너 깔때기, 감압 플라스크(filter flask), 감압기(aspirator), 거름 종이(filter paper), pH 지시종이(pH paper), 목장갑(cotton work gloves)

2. Chemical

벤조산과 아세트아닐라이드 혼합물 (1:1), 3M NaOH 수용액, 5M HCl 수용액

Ⅴ. Procedure

실험 1. Acetanilide의 분리와 재결정

1) 미리 준비된 벤조산, 아세트아닐라이드의 혼합시료(1:1)를 약 1g의 무게를 측정하여 100mL 비커에 넣고 15mL의 물을 가한다.

2) 시료의 50%가 벤조산(0.5g)이라고 생각하고 이를 중화시키는데 필요한 3M NaOH 수용액의 부피를 계산하여 그 양의 1.5배를 100mL 비커에 가한다. (약 2.0mL 정도)

3) 충분히 저어준 후에 pH 지시종이로 용액의 pH가 염기성인지를 확인한다.

(만약 염기성이 아니면 NaOH 수용액을 몇 방울 더 넣어주고 다시 확인한다.)

4) 용액을 끓을 때까지 가열한다. (고체가 완전히 녹지 않았다면 NaOH를 더 가해서 완전히 녹여준다.)

5) 비커를 시계접시로 덮고 용액이 식을 때까지 기다린다. (급하게 냉각시킬 경우 결정이 재배열 되는 시간이 모자라 작은 결정 밖에 생성되지 않아 완전한 결정화가 일어나지 않는다.)

6) 용액이 식으면서 서서히 아세트아닐라이드 결정이 석출된다. (잘 식지 않는다면 찬물이나 얼음을 사용한다.)

7) 거름 종이의 무게를 미리 잰 후, 뷰흐너 깔때기를 이용하여 침전물을 여과하고 차가운 물 2mL씩 2~3회 정도 씻어준다. (여과액 전체는 실험 2에서 다시 사용해야 하므로 버리지 않도록 주의한다.)

8) 오븐에서 침전물을 완전히 말려 무게를 재고 녹는점을 측정한다.

실험 2. Benzoic acid의 분리와 재결정

1) 실험 1에서 얻은 여과액에 5M HCl 용액을 가하면 용액이 산성이 되면서 벤조산이 뿌옇게 결정화되는 것을 볼 수 있다. (가하는 HCl 용액의 양은 앞서 첨가한 NaOH 용액의 양과 비슷하게 첨가하고, 확실히 산성을 만들어 pH paper로 확인하다.)

2) 용액이 끓을 때까지 가열한다. (고체가 완전히 녹지 않았다면 물을 2~3mL 더 가해 완전히 녹여준다.)

3) 100mL 비커에 시계 접시를 덮어 완전히 식힌다.

4) 용액이 식으면서 서서히 벤조산 결정이 석출된다.

5) 뷰흐너 깔때기에 거름종이를 깔고, 침전물을 여과한 후 차가운 물 2mL씩 2~3회 정도 씻어준다.

6) 거름종이를 오븐에 완전히 말려 무게를 재고, 녹는점을 측정한다.

<주의사항>

1) 재결정 석출 시 과한 충격을 가하거나 온도를 급격히 내리면 결정이 작아져 걸러지지 않을 수 있으니 주의한다.

2) 남은 산 용액은 폐산 통에, 남은 염기 용액은 폐염기 통에 버린다.

3) 실험이 끝난 후 석출된 시료들은 잘 포장하여 고체 폐기물에 버린다.

4) 감압기(Aspirator)를 사용할 때 역류하지 않도록 주의한다.

5) 산, 염기를 사용하므로 주의한다.

6) 녹는점 측정기 사용시 capillary가 부러지지 않도록 주의한다.

Ⅵ. Data & Result

1. Data Sheet

* 계산 시 혼합 시료에서 벤조산과 아세트아닐라이드의 무게가 각각 50%라는 조건 하에서 값을 구했다.

Ⅶ. Discussion

1. 실험 진행 이유 및 현상 관찰

혼합물을 분리할 수 있는 특성에는 여러가지가 있다. 다만 혼합물을 구성하는 물질이 비슷한 특성을 갖고 있다면 한 가지 요인만 이용하면 물질을 분리해내기가 쉽지 않다. 이번 실험에서 분리하려는 Acetanilide(이하, 아세트아닐라이드)와 Benzonic acid(이하, 벤조산)도 온도에 따른 물에 대한 용해도가 비슷하기에 단순한 물에 대한 용해도의 차이만으로는 물질을 분리할 수 없다. 한편, 벤조산이 카복시기(−COOH)를 포함한 약산이며, 염기와 쉽게 반응한다. 이 특성을 이용해서 물에 대한 용해도와 pH에 의한 용해도의 특성을 이용해서 혼합된 물질들을 분리한다. 혼합물의 구성물질이 물에 대한 용해도가 비슷하기 때문에 우선 벤조산과 강염기 Sodium Hydroxide(이하, 수산화나트륨)의 반응으로 먼저 벤조산을 용해한다. 벤조산은 약산이기에 중화 반응을 일으키더라도 염의 가수분해로 인해 용해가 되지 않은 상태로 돌아갈 수 있다. 이를 고려하여 벤조산을 완전히 중화하기 위해 예상된 수산화나트륨의 양보다 1.5배 많은 2mL 정도를 넣으면 될 것으로 확인했으나, 벤조산의 포함 비율이 혼합시료의 50%가 아닐 수 있다는 가능성을 고려하여 실제 실험에서는 수산화나트륨을 3mL 정도 사용했다. 혼합 시료와 수산화나트륨을 포함한 수용액에는 이온 형태로 용해된 벤조산 이온과, 아직 충분히 용해되지 못한 아세트아닐라이드가 포함되어 있을 것이다. 최대한 많은 아세트아닐라이드를 얻기 위해서 일반적인 고체는 계의 온도가 높아짐에 따라 용해도가 증가하는 성질을 이용했다. 아세트아닐라이드는 95℃에서 물 1L에 대해 50g이 녹을 수 있으며, 실제 실험에서 사용된 물의 양은 약 18mL로 이에 대해 아세트아닐라이드는 같은 온도에서 0.9g이 녹을 수 있다. 최대한 순수하고 많은 양의 아세트아닐라이드를 습득하기 위하여 육안으로 결정을 찾을 수 없더라도 물이 거의 끓을 때까지 기다려 시료 속의 아세트아닐라이드가 충분히 녹을 수 있도록 했다. 아세트아닐라이드를 다시 결정 상태로 얻고자 용액을 식혔다. 원래는 상온에서 식혀 결정이 최대한 크고 잘 형성될 수 있도록 해야 하는데 시간상의 문제로 얼음을 이용해서 용액을 최대한 빠른 시간에 충분히 식혔다. 거름종이만 이용하는 것 보다 빠르게 용액에서 결정 형태의 고체만 얻고자 감압 장치를 이용해서 용액을 걸렀다. 다만, 수용액의 부피에 비해 다소 큰 비커를 사용했기에 얼음에서 이를 식히는 과정에서 열교환이 쉽게 발생해서 물이 거의 남지 않았다. 그래서 비커 내부에 붙어있는 결정을 떼어내고자 물로 섞는 과정을 추가했으며, 이때 너무 물을 세게 부어 결정이 비커 밖으로 나가지 않도록 물을 넣을 때 눈금실린더를 사용했다. 감압 후 결정 표면에 붙어있을 수 있는 벤조산이나 불순물을 제거하기 위해, 용액을 빠른 시간 내에 냉각한 것을 감안하여 눈금 실린더로 결정을 천천히 찬물로 세척했다. 한편, 걸러지고 나온 용액에 남아있는 벤조산을 다시 얻어내기 위하여 이온 형태로 존재하는 벤조산 이온을 다시 고체 형태로 바꿀 필요가 있었다. 이를 위하여 아세트아닐라이드만 석출하기 위하여 넣어줬던 수산화나트륨의 몰수만큼 hydrochloric acid(이하, 염산)을 넣어주었다. 이때 이론적으로는 염산 1.2mL 정도가 필요하지만 확실하게 벤조산을 석출하고자, 앞서 수산화나트륨을 3mL가량 넣었다는 것을 바탕으로 염산 3.5mL를 넣었다. pH의 변화로 더 이상 이온 현태로 존재하지 못하게 된 벤조산 이온이 다시 고체로 변하면서 용액이 뿌옇게 흐려지는 것을 확인할 수 있었다. 앞서 아세트아닐라이드를 석출했던 것처럼 용액을 가열하여 남아있던 고체를 모두 녹이고 다시 식혀 거름을 통해 벤조산 결정을 수득했다. 각각의 과정으로 얻은 결정은 아직 수분을 모두 포함하고 있는 상태이기에 질량을 정확히 측정할 수 없었다. 그래서 하루동안 오븐에서 건조를 했고 실험 다음날 측정한 질량에서 각 결정을 받치기 위해 사용했던 거름종이의 질량을 제외하여 수득한 결정 각각의 질량을 얻을 수 있었다.

2. 실험 결과 분석 및 오차 발생 이유

실험을 통하여 얻은 아세트아닐라이드와 벤조산의 실제 수득 질량과 수득률을 정리해보자.

* 여기서 말하는 이상적 상황은 전 실험 과정에서 불순물이 섞이지 않고 손실되거나 추가되는 질량이 없이 완벽하게 실험이 진행된 상황을 뜻한다.

우선 수득율에 대해서는 크게 논의하지 않겠다. 왜냐하면 재결정을 위해 사용했던 시료의 조성을 정확하게 모르기 때문에 정확한 수득율을 구할 수 없기 때문이다. 수득율에 대한 오차에 대해 논의하려고 하면 혼합 시료를 직접 만드는 과정도 실험 과정에 포함되어 있어야 할 것이다. 본론으로 돌아와, 수득율의 수치보다는 1) 아세트아닐라이드와 벤조산의 실제 수득 질량의 합이 0.2848g으로 실제 분석을 위해 사용했던 혼합시료의 질량 1.0015g보다 현저히 낮다는 점, 그리고 2) 수득한 아세트아닐라이드 혹은 벤조산이 얼마나 순수할 수 있는가에 대해 주목하여 실험 결과를 살펴봐야 한다.

1) 실제 수득 질량이 처음에 측정한 혼합 시료의 질량보다 현저히 낮음

수득 후 측정한 시료들의 질량의 총 합이 초기에 측정된 혼합물의 질량보다 매우 낮다는 것은 무게를 측정할 때 발생될 수 있는 오차보다는 또 다른 요인이 있기에 가능할 것이다. 이에 대해 살펴보자. 첫 번째로 용액들을 계속 옮기는 과정에서 시료들의 손실이 발생할 수 있다. 이번 실험에서는 시료를 끓이고 감압하는 과정에서 계속 용액을 옮겨야 한다. 그 과정에서 최대한 남은 방울까지 다 옮긴다 하더라도 실험자의 숙련도 미숙으로 인하여 눈치채지 못하고 미처 옮기지 못하고 비커, 감압 플라스크 뷰흐너 깔때기, stirring bar 등에 시료가 묻어있을 수 있다. 이는 시료가 손실되는 것을 의미하므로 후에 측정한 질량이 감소할 수 있는 원인에 해당한다. 또한 재결정 과정의 문제로 시료가 정확하게 수득되지 않았을 수 있다. 용해된 물질이 결정화되려면 외부의 충격 없이 최대한 천천히 식혀 충분한 크기가 되도록 해야 한다. 하지만, 보다 용이한 실험을 위해서 얼음을 이용해서 용액을 냉각했으며, 이는 급작스러운 온도 변화를 야기했다. 이는 곧 용해도가 급격하게 변해 녹아 있던 시료들이 충분히 얽히지 못하고 석출되어 버릴 수 있는 환경을 제공하는 것으 뜻한다. 또한 각 조의 용액을 개개인이 냉각한 것이 아니라 앞의 얼음통에 같이 넣고 냉각을 진행했다. 이는 다른 조원들이 비커를 넣고 빼는 과정에서 그 통에 있던 비커들에도 충격이 전해질 수 있음을 뜻하고, 이는 결정이 온전히 형성될 수 없는 가능성을 제시한다. 뿐만 아니라 최대한 많은 시료를 빼낼 수 있는 용액의 온도를 알아야 하는데 실험 수업 시 온도계가 제공되지 않아 적당한 시간이 흐른 것만으로 용액이 충분히 냉각되었다고 판단해서 감압 거름을 진행했기에 결정이 충분히 형성되지 않았을 수 있다. (다만, 만약 온도계가 제공된다 하더라도, 실험 결과에 영향을 주지 않을 정도로 오차가 나지 않게 하려면 용액을 매우 차갑s게 만들어야 한다. 그러나 실험실 환경에서의 계와 주변사이의 열교환만으로는 충분히 냉각하는 것이 사실상 불가능하기 때문에 온도계가 제공되었더라도 용해된 아세트아닐라이드를 모두 결정으로 석출시키는 것은 힘들었을 것이다.) 결정이 충분히 석출되지 않았다는 것은 용해된 시료가 모두 결정이 되지 않았음을 뜻하기도 하지만, 외부 영향 변화에 영향을 받지 않는 정도로 결정이 크게 형성되지 않았음을 뜻하기도 한다. 크기가 작은 결정은 후에 결정을 세척하는 과정에서 영향을 받을 수 있다. 용질의 크기가 작을수록 용질 사이의 상호작용이 감소한다. 또한 같은 양의 용질이 있을 때, 용질 입자의 크기가 작을수록 용매와의 접촉면적이 증가한다. 뿐만 아니라 용질의 크기가 작을수록 용액에 더 잘 분산될 수 있으므로 엔트로피도 증가한다. 이 요인들은 곧 용질의 입자가 작을수록 더 쉽게 용해됨을 뜻한다. 그렇기에 완전하게 결정을 얻은 상태보다 세척을 했을 때 더 쉽게 용해될 수 있는 가능성이 존재했고 이는 곧 수득 용질의 감소로 이어졌다고 판단되었다. 주된 요인은 아니지만, 오븐을 다같이 이용하며, 오븐 내의 시료 확인 시 거름종이를 받치는데 사용했던 시약종이에도 결정 가루들이 떨어져 있었던 것으로 보아 건조과정에서도 질량의 변화가 있을 수 있다고 판단할 수 있었다. 또한 실험을 한 번만 진행했기에 실험자의 미숙으로 여러 번 진행해서 얻은 평균값에서 거리가 먼 결과를 얻었을 수도 있다. 혼합 시료 추출 시 시료의 조성을 완벽하게 동일하게 설정할 수는 없기에 반복된 실험을 통해 유의미한 평균값과 이번 실험에 대해 불확정도를 구하면 보다 이 실험 결과값의 신뢰 정도도 고려할 수 있을 것이다.

2) 수득한 물질들이 얼마나 순수할 수 있는가?

이번 실험의 목적은 혼합물을 재결정을 통해서 각 구성 물질로 ‘분리’하는 것이다. 분리는 혼합물에서 최대한 순수하게 물질들을 구별하는 것이 목표이므로, 실험 결과로 얻은 물질들이 얼마나 순수한지도 고려해야 한다. 직접 실험을 통해서 순수한 정도를 얻지는 않았다. 만약 이를 얻고자 한다면 녹는점 측정기를 사용하여 순물질의 녹는점과 얻은 시료의 녹는점 사이의 차이를 비교해보면 알 수 있다. 또한 순수한 시료와 실험을 통해 얻어낸 시료의 가열곡선을 얻어 비교해보면 얻어낸 결정이 순수한지 알 수 있다. 시료가 고체에서 액체로 될 때 가열 곡선이 x축과 거의 평행하지 않고 우상향하는 모습을 보이면 그 시료는 순수하지 않음을 확실히 알 수 있다. 그리고 만약 불순물의 끓는점이 시료보다 낮다면 인근에 비해 기울기가 작은 부분이 2번 이상 나타날 것이다.

진행한 실험 결과를 바탕으로 시료들의 오염 가능성을 살펴보자. 여기서 말하고자 하는 ‘오염’은 실험 과정 중 계의 외부에서 유입된 불순물에 의한 오염이 아닌, 분리를 정확하게 해내지 못해 시료가 혼합된 상태임을 뜻한다. 즉, 분리를 정확하게 해내지 못한 정도에 대해서만 이야기해보도록 하자. 우선 첫 번째 재결정 과정에서 얻은 아세트아닐라이드는 오염될 가능성이 적다. 왜냐하면 산과 염기에 의한 반응은 반응 속도가 빠른 반응이기에 대부분의 벤조산이 용해된 상태이기 때문이다. 그러나 실험에서 재결정화된 아세트아닐라이드의 질량이 매우 작았기에 벤조산의 오염을 의심해볼 수 있다. 용해과정과 재결정과정에서 문제가 생겼다면 미처 석출되지 못한 용해된 아세트아닐라이드가 존재할 수 있다. 또한 아세트아닐라이드와 벤조산의 물에 대한 용해도는 거의 유사하기에 벤조산의 석출을 위해 물을 가열하면 아세트아닐라이드도 같이 용해될 수 있다. 이를 종합하면, 벤조산을 재결정하는 과정에서 순수한 벤조산만 결정으로 석출되는 것이 아니라 아세트아닐라이드도 같이 석출될 가능성이 존재한다. 두 물질의 밀도는 비슷하며, 육안으로 결정의 형태를 통해 둘을 구별하는 것이 힘들다. 아세트아닐라이드의 수득 결과를 통해 혼합 시료속의 모든 아세트아닐라이드를 석출했다고 판단하기 힘드므로, 벤조산으로 석출되었다고 판단되는 질량 0.1560g은 오염으로 인하여 신뢰성이 약간 떨어진다고 볼 수 있다.

3. 재결정을 통해 얻은 물질의 종류를 구분하는 방법

녹는점 측정기를 사용하면 물질의 순도도 결정해볼 수 있겠지만, 그 물질이 어떤 물질인지를 구분해줄 수도 있다. 만약 재결정을 통해서 두 물질을 완전히 분리하는데 성공했다고 했을 때 어떤 방법을 통해서 두 물질을 구분할 수 있을지 살펴보도록 하자.

1) 크로마토그래피를 이용하면 분류한 두 물질의 종류를 구분할 수 있을 것이다. 다만 수득한 형태가 고체이기에 크로마토그래피를 진행하기에는 어려움이 있다. 그래서 우선 두 물질을 충분히 가열해서 액체 상태로 만드는 것부터 시작해야한다. 하지만, 두 고체 모두 무색이므로 단순히 크로마토그래피를 적용하는 것은 도움이 되지 않는다. 즉, 추가적인 설계가 필요하다는 것을 의미한다. 같은 조건으로 형성된 칼럼에 대해 같은 양의 시료를 넣는다. 그리고 칼럼 아래에는 페놀프탈레인 지시약을 첨가한 강염기성의 용액을 둔다. 만약 칼럼에서 액체 시료가 떨어졌는데 용액에 아무런 변화가 없다면, 이는 아세트아닐라이드를 뜻할 것이다. 하지만 만약 그 액체 시료가 벤조산이라면 중하반응에 의하여 용액의 pH가 감소할 것이며, 특정 시점을 기준으로 용액이 투명해질 것이다. 이 특성을 이용한다면 두 시료가 각각 분리되어 있어도, 두 액체 상태의 시료가 혼합되어 있어도 물질의 특성을 이용해서 시각적으로 물질을 구별할 수 있다. 만약 두 시료를 기체 형태로 바꾸고, 이들을 잘 수득할 수 있다면 기체 크로마토그래피를 이용한 결과를 해석하여 이미 존재하는 데이터와 비교하면 자신이 얻어낸 물질이 무엇인지 구분할 수 있을 것이다.

2) 분광 화학법을 이용하면 두 물질을 구분할 수 있을 것이다. 어떤 물질을 전자기 스펙트럼을 이용해서 분석하면 물질마다 고유한 값을 얻을 수 있다. 어떤 영역의 빛을 사용하는지에 따라서 사용하는 기계의 종류도 다양하며, 분석 방법도 다양하다. 순수한 벤조산과 아세트아닐라이드를 적외선 영역(IR)에서 빛을 쐬어 결과를 살펴보면 확연한 차이점을 얻을 수 있다. 분석기로 얻은 결과와 인터넷 사이트 등에서 얻을 수 있는 자료를 비교해보면 실제로 자신이 분석한 물질이 어떤 것인지 알 수 있다. 실제로 IR 분석법을 이용하면 아세트아닐라이드와 벤조산의 분광 분석 결과를 다음과 같이 확인할 수 있다.

3) 고체상의 등압 몰 비열 비교를 해도 물질을 구분할 수 있다. 이상 기체에 대하여 일정한 압력에서 같은 온도에서 같은 양의 온도를 변화시켰을 때 들어간 열량을 이용하여 기체들의 종류를 구분할 수 있었다. 이를 확장하여 어떤 고체 상에 있는 두 물질을 같은 온도에서 같은 온도 변화량만큼 변화를 두면 열량이 변할 것이다. 이 값을 이용해서 고체 상태의 등적 몰비열을 계산하면 두 물질을 비교할 수 있을 것이다. 실제로 298.15K에서 아세트아닐라이드의 Cp,solid=179.3kJ/mol∙K이며, 벤조산의 경우 Cp,solid=146.65kJ/mol∙K이다.

Ⅷ. References

1. 대한화학회, 표준 일반화학실험 제 7판, 천문각, 2011, pp. 35~41

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4. 박기라 및 윤희숙, 액체 혼합물의 끓음에 대한 예비 화학교사의 이해, 강원대학교 과학교육부, 2015, pp. 455 ~ 464

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6. 오도석, CHROMATOGRAPHY 1st reviced edition, 학술편수관, 2012. pp. 13~145 282~287

7. Haiilday 외 2인, Fundamentals of Physics 10th edition, Wiley, 2013, pp. 566~567

Ⅰ. Title

크로마토그래피(Chromatography)

Ⅱ. Purpose

1. 정상, 역상 크로마토그래피를 이해하고, 이동상과 고정상의 개념을 배운다.

2. TLC와 Columm 크로마토그래피로 색소를 분리함으로써, 크로마토그래피의 원리와 극성의 개념을 배운다.

Ⅲ. Theory

1. 혼합물의 분석과 분리

분석 화학에서는 혼합물에 대한 화합물을 직접 분석하는 방법이 있다. EDTA 적정 혹은 각종 분광법이 이에 해당한다. 하지만 불가피하게 혼합물을 직접 분석하지 못하면 분석 물질을 구성하는 각각의 화합물로 분리하는 과정이 꼭 필요하다. 혼합물의 조성 물질의 성분 및 상태에 따라 거름, 증류, 확산, 침전 등을 통해 분리할 수 있다. 그러나 최근에는 크로마토그래피(chromatography)를 통해 혼합물을 분리하는 경우가 많다.

2. 물질의 극성과 상호작용

화학결합은 전자의 상호작용으로 인해 발생한다. 결국 어떤 결합을 이루고 있는 물질에 대해서 전기음성도 차이가 극성을 결정하는데 큰 요인으로 작용할 수 있다. 두 원자사이의 전기음성도 차이로 인해서 극성 결합이 형성될 수 있다. 반면 두 원자사이에 전기음성도 차이가 없다면 이는 무극성 결합을 형성한다. 다만 극성 공유 결합이 존재한다고 해서 항상 그 물질이 극성을 갖는 것은 아니다. 원자가 3개 이상 존재할 때 극성 공유 결합을 가지고 있더라도 분자의 구조에 의해서 쌍극자 모멘트가 상쇄되어 전체 쌍극자 모멘트 값이 0을 나타낸다면 이는 무극성 분자이다. 한편, 극성 결합이 있으면서도 기하적 구조가 대칭이 아니라면 알짜 쌍극자 모멘트는 0이 아니며 이는 극성 분자일 것이다. 용질과 용해의 관점에서 엔탈피의 변화 등으로 같은 극성을 갖는 물질이 서로 잘 섞이는 현상을 알 수 있다. 이를 확장하면 물질 사이의 상호작용에도 적용할 수 있다. 분자의 상호작용이 쌍극자 - 쌍극자 모멘트 인력이 분산력보다 더 강한 것을 알 수 있다. 이는 같은 극성을 갖는 물질들끼리 더 강한 상호작용을 하는 것을 알 수 있다. 이는 특히 용해도의 차이를 이용해서 물질을 분리하는 분리 방식 크로마토그래피에서 물질의 분리할 수 있는 주요 원리로 기인하며 TLC에서 전개제를 형성할 때 중요하게 고려되기도 한다.

3. 크로마토그래피 (chromatography) 분류와 실험에 해당하는 크로마토그래피 고찰

크로마토그래피를 딱 한마디로 정의하기는 어렵다. 왜냐하면 각 크로마토그래피 기법을 이용해서 혼합물을 분리할 때 주로 사용하는 원리가 다양하기 때문이다. 예를 들어 이동상의 종류를 기준으로 분류하면 액체, 고체 및 기체 크로마토그래피로 분류할 수 있다. 이제 크로마토그래피를 주로 사용하는 원리를 기준으로 분류해보자.

① 흡착 방식 (Adsorption mode): 분리를 위해 충전한 흡착제의 표면에 활성 자리(active site)가 존재한다. 시료가 이동상과 함께 흡착제를 지나갈 때 시료가 선택적으로 활성자리에 흡착된다. 이동상 속의 시료와 활성자리 사이의 수소결합 등 인력과 관련된 상호작용으로 흡착이 발생한다. 시료의 구조 혹은 극성 또한 흡착 여부에 큰 영향을 미친다. 액체-고체 크로마토그래피 혹은 기체-고체 크로마토그래피에서 주로 사용한다.

② 크기 배제 방식 (size exclusion mode): 정지상으로 사용한 다공성 겔이 갖는 물리적 특성을 이용한다. 겔에 의해 발생한 공간사이로 시료를 통과하게 한다. 이때 통과하는 시료의 크기가 작을수록 겔 사이의 틈새에 잘 끼어 이동하기 어려워지는 특성을 이용하여 물질을 분리한다.

③ 친화 크로마토그래피 (Affinity chromatography): 크기가 큰 분자의 분리와 정제를 위해서 다양한 흡착제를 개발하면서 발견했다. 원리는 흡착 크로마토그래피와 유사하며 대게 생물학적 특이성이 부여되어 있다.

④ 분배 방식 (partition mode): 시료 분자들의 이동상과 정지상에 대한 상호작용(용해도)의 차이를 통해서 시료 분자들을 분리한다. 여기서 이동상은 시료와 함께 흐르는 물질을 의미하며, 정지상은 멈추어 있는 물질을 의미한다. 분배 방식의 진행 속도는 앞선 카페인 추출 실험에서 고려했던 분배 계수(distribution coeffeicient)를 이용해서 논의한다. 어떤 물질에 대해서 이동상에 대한 용해도를 Cm, 고정상에 대한 용해도를 Cs라고 하자. 이때 분배계수 K=Cs/Cm으로 정의된다. 고정상이 흐르지 않는 물질, 이동상을 흐르는 물질로 사용하므로 물질의 용해도가 이동상에 대해 높을 때 보다 분리가 빠르게 발생한다. 즉 분배계수의 값이 클수록 이동상에 대해 물질이 쉽게 용해됨을 의미하고 더 빠르게 분리를 할 수 있음을 알 수 있다. 반면 분배계수의 값이 작다면 고정상에 대해 물질이 용해될 수 있으므로 분리가 천천히 일어난다. 혼합물 속의 각 물질들이 서로 다양한 분배계수 값을 가지기 때문에 물질의 분리가 발생한다. 하지만 그렇다고 이동상을 매우 강한 극성 혹은 무극성 물질을 사용하면 안된다. 왜냐하면 극성을 한편으로 치우치게 한다면 자칫 시료에 포함되어 있는 물질조차 용해시키기 못하고 비효율적인 분리 결과를 얻을 수 있기 때문이다. 분배 방식을 이용한 크로마토그래피는 사용하는 용액의 극성에 따라 정상 크로마토그래피와 역상 크로마토그래피로 구분할 수 있다. 이 두 크로마토그래피의 특성을 밑의 표를 통해서 정리해보도록 하자.

분배 크로마토그래피의 경우 칼럼(관)을 이용해서 분리하는 경우가 많다. 이 경우, 시료를 위에서 아래로 분리한다. 분리 과정을 방치하더라도 중력에 의해 시료가 밑으로 내려오면서 분리가 진행된다. 하지만, 위에 압력을 가하면 감압 여과와 같이 압력 차를 이용하면 더 빠르게 용액을 분리할 수 있다. 한편, 분배 방식이 물질에 대한 용해도에 대해 논의하는 것을 보아 한가지 주의해야 하는 것을 알 수 있다. 분배 방식을 이용한 크로마토그래피를 진행하면 한 가지 시료에 대해서만 분리가 가능하며, 다른 분리를 위해선 새롭게 장비 설치를 해야 한다. 왜냐하면 분배계수가 무한의 값을 가지지 않다는 것은 일정량의 시료가 고정상에 용해될 수 있음을 의미하며 이는 고정상의 오염이 발생한다는 것을 의미한다. 따라서 이번 실험처럼 2가지 이상의 시료를 분리해야 하는 경우 각각의 분리마다 새롭게 크로마토그래피 장치를 만들어야 한다. 이번 실험 2에서 이용하는 크로마토그래피는 극성 물질인 실리카겔을 고정상으로 사용하는 것으로 보아 정상 크로마토그래피인 것을 알 수 있다. 무극성에 가깝지만 극성부위(-OH)도 가지고 있는 butanol을 이동상으로 하여 혼합물의 물질을 모두 용해할 수 있으며 정지상에 대해 뚜렷한 용해도 차이를 보여 보다 효과적인 분리를 진행할 수 있도록 했다. 효과적으로 분리를 진행하기 위해서 칼럼을 올바르게 준비해야한다. 칼럼에 채우는 충진제의 크기가 균일하고 건조되지 않은 상태를 유지하는 것이 중요하다.

⑤ 얇은 층 크로마토그래피 (thin layer chromatography): 얇은 층 크로마토그래피는 플라스틱 혹은 알루미늄을 지지체로 하여 실리카겔이나 알루미나를 정지상으로 얇게 표면에 코팅한 제품을 이용해서 진행한다. TLC에서 효과적을 물질을 분리하기 위해서 여러 수칙을 지켜야한다. 우선 시료는 주사기나 모세관같이 적은 양을 이동할 수 있는 도구를 이용해서 다른 시료 혹은 표준 물질에 대해 분명히 구분할 수 있도록 떨어트려야 한다. 또한 이동상(전개제)에 시료가 닿아 오염되는 일이 없도록 액체의 표면보다 높은 위치에 시료를 떨어트린다. TLC는 단면과 분배계수가 전개 거리에 대하여 일정하지 않다. 전개되며 이동하는 시료의 양도 달라지기도 하며 표면이 완벽하게 균일하지 않는 등 여러 이유가 있기 때문이다. 그래서 TLC 결과 분석에서는 억제 인자 Rf를 이용해서 분석하고자 하는 시료의 극성을 분석한다. 억제 인자는 동일 온도 하에 전개제의 상태가 균일하고 흡착제(얇은 판)의 두께가 일정하며, 분석시료의 양이 동일하면 반복된 실험에도 같은 값을 갖는다 전개 시작 지점으로부터 이동한 이동상(전개제)의 거리를 dM, 시작 지점에서 이동한 용질의 중심까지의 거리를 dR이라고 하자. 이를 이용하면 Rf값을 다음과 같이 정의할 수 있다.

\[R_f=\frac{d_R}{d_M}\]

TLC 크로마토그래피에서 사용하는 판은 실리카겔 등 얇게 코팅되어 있으므로 표면은 극성을 보인다. 만약 억제 인자 값이 크다면 표면에 대한 용해도가 낮아 전개제를 따라 많이 이동할 수 있는 것이므로 극성이 작은 것을 의미한다. 반면 극성이 큰 물질에 대해서는 억제 인자 값이 작게 나올 것이다. 왜냐하면 극성 표면에 의해서 전개제가 이동하는 것만큼 시료가 분자간 인력 때문에 쉽게 나아가지 못하기 때문이다. TLC의 결과를 유의미하게 얻기 위해서는 적당한 전개제를 제조하는 것이 중요하다. 각 실험에 대한 최적의 전개제는 실험에 의한 결과 비교로 정할 수 있다. 우선 용매강도에 대해서 고려해야 한다. 용매강도는 고정상에 대해 용매(전개제)가 얼마나 상호작용하는가를 의미한다. 정상 TLC에 대해서 실리카겔로 코팅된 표면에 의해 극성인 물질이 더 강한 용매강도를 보인다. 사용하는 용매의 부피 비율을 Fn, 각각의 용매 강도 인자를 Sn이라고 했을 때, 전체 용매 강도는 다음과 같이 얻을 수 있다.

\[S=F_1 S_1+F_2 S_2+\cdots \]

하지만 용매강도가 너무 크다면 고정상과 결합하고자 하는 경향이 커 효과적인 분리가 일어나지 않는다. 하지만 용매강도가 너무 작다면 고정상에 대한 흡착력이 지나치게 작아 용매가 얇은 판을 타고 올라가지 못해 분리를 못한다. 이 때문에 고정상에 대해 큰 용매강도와 작은 용매강도를 갖는 용매를 적절히 섞어 효과적으로 분리할 수 있는 전개제를 얻을 수 있다. 한편 시료가 각 성분으로 분리될 때 전개제를 타고 분리된다. 이때 ‘꼬리 끌림’현상이 발생할 수 있다. 만약 꼬리 끌림 현상이 발생한다면 정확한 전개 거리를 측정할 수 없으므로 약간의 아세트산이나 수용성 암모니아를 가해서 이 현상이 발생하는 것을 방지한다. 실제로 이번실험에서 사용하는 전개제도 용매 강도가 낮은 Butanol과 강도가 큰 정제된 증류수, 그리고 꼬리 끌림 현상을 방지하기 위한 아세트산을 적절한 비율로 섞어서 사용한다. 다만, 전개제를 만들 때는 정제된 증류수를 사용하는 것이 보다 올바른 수치를 얻게 도움을 준다. 왜냐하면 일반 수돗물을 사용할 경우 소독하기 위해서 사용한 약품들이 극성여부를 포함하여 전개제에 어떠한 영향을 주는지 예측할 수 없기 때문이다.

Ⅳ. Chemicals & Apparatus

1. Chemicals

적색색소, 청색색소, 황색색소, de-ionized water(D.I.W)(초순수)

2. Apparatus

TLC Plate, 10mL 주사기, 10mL 메스실린더, 모세관, 500mL 비커, 100mL 삼각 플라스크, Pasteur pipette, 저울, 솜, Spatula, 시계접시

Ⅴ. Procedure

실험 1. TLC판에 의한 색소의 분리

1. TLC 판 아래 (일자로 반듯한 부분)에서 1.0cm 간격을 연필로 밑줄 긋고, 약 1cm 간격으로 5개의 점을 찍는다.

2. 적색색소, 청색색소, 황색색소, 미지시료A, 미지시료B를 모세관에 묻혀서 점 찍은 곳에 찍는다.

3. 전개재 (Butanol : Acetic acid : D.I.W = 60 : 15 : 25)를 500mL 비커에 약 0.5cm 정도 (TLC의 점이 잠기지 않을 정도)로 붓고, TLC 판의 색소가 퍼지지 않도록 조심스럽게 넣은 후, 시계접시로 덮어준다.

4. 약 1시간 후 TLC 판을 꺼내고 전개제가 이동한 거리를 연필로 표시 후 말리고, 각 색소가 이동한 거리를 표시 후, Rf값 측정 값을 계산하고 사진 촬영을 한다. (소수점 아래 두자리까지)

실험 2. 컬럼 크로마토그래피를 이용한 색소 분리

1. 10mL 주사기에 솜을 얇게 깔아주고, Silica gel을 주사위 눈금 7mL까지 넣어준다.

2. 주사기 12mL 눈금까지 Butanol을 넣고 Silica gel이 완전히 적셔질 때까지 기다린 후, 100mL 삼각 플라스크를 주사기 아래에 받치고, 피스톤을 조금만 밀어 넣어 압력을 가하며 Butanol을 흘려서 보낸다.

3. Butanol이 충진제 가장 윗부분을 여유 있게 적셔줄 정도까지 확인하며 흘려서 보낸다. (주의: 피스톤 검정부분만 조금만 넣었다 뺐다를 반복하여, Silica gel 사이에 기포가 생기지 않도록 한다. Butanol을 충진제 눈금에 정확히 맞추어 흘려보내면 Silica gel이 마르므로 주의한다.)

4. 미지시료 A를 충진제 윗부분을 모두 덮을 정도로 넣어준다.

5. 피스톤으로 살짝 눌러 미지시료를 충진제의 적셔준 후, Butanol을 주사기 눈금 10mL 정도까지 채우고 피스톤을 5분 간격으로 아주 조금씩 눌러준다.

6. 용리액(Butanol)을 서서히 흘려주면서 색소가 분리되는 것을 관찰하고, 사진촬영을 한다.

7. 미지시료 B를 1)~6) 과정을 거쳐 분리하고, 사진촬영을 한다.

Ⅵ. Data & Result

실험 1. TLC에 의한 색소 이동거리와 Rf 값

*이동거리 값 소수점 아래 둘째자리

1. 세 가지 색소의 극성 크기 순서

1) 황색  2) 청색  3) 적색

실험 2. 컬럼 크로마토그래피에 의한 분리 결과와 극성 비교

1. 미지시료 A 용출 순서

1) 황색  2) 녹색(청색)

2. 미지시료 B 용출 순서

1) 적색  2) 청색

3. 세 가지 색소의 극성 크기 순서

1) 청색  2) 황색  3) 적색

실제: 1) 황색 2) 청색 3) 적색

Ⅶ. Discussion

1. 실험 관찰 결과

1) TLC(실험 1)에 대한 관찰 결과

전개를 진행하기 전에 적색, 황색, 청색을 사용했고 미지 시료 A, B의 색은 각각 녹색과 남색계열인 것을 관찰할 수 있었다. 첫 시도에서는 Butanol만 전개제로 사용했다. 하지만, 적색 색소를 제외한 모든 색소들이 전개가 전혀 되지 않았으며 적색의 전개조차도 매우 미비했다. 이는 시료들도 어느정도 극성을 가지고 있는데, 뷰탄올이 약간의 극성 원자단을 포함하고 있긴 하지만, 그 정도가 미미하여 용질을 충분히 용해하지 못했기 때문에 시료가 거의 고정상에만 머무른 것으로 예상된다. 용매강도의 관점으로 보자면 용매 강도가 너무 낮아 용매가 고정상을 벗어나지 못한 것으로도 생각할 수 있다. 보다 빠른 전개를 위해서 물과 뷰탄올, 그리고 아세트산을 일정 비율로 섞은 전개제를 사용했다. 용매 강도가 조절된 전개제를 사용하니 황색 색소를 제외하고는 전개가 진행되었다. 전개된 시료의 형상을 보니 시료가 지면에 대해 수직으로 올라가지 못했다. TLC plate의 세로축에대하여 눈에 보일 정도의 경사도를 가지고 전개가 된 것을 확인할 수 있었다.  또한 아세트 산을 사용했음에도 불구하고 꼬리 끌림 현상이 발생해서 정확한 전개 거리를 측정하기는 어려웠다. 결과상의 불완전함을 감안하여 중심점들에 대해 길이를 측정한 후 이동 거리를 구했다. 각 시료의 이동거리와 전개제의 이동거리를 고려하여 억제 인자 Rf의 값을 구할 수 있었다. TLC plate의 표면에는 극성 물질인 실리카 겔이 얇게 도포되어 있기 때문에, 더 작은 극성을 띠는 색소들이 더 높이 올라갈 수 있다. 따라서 Rf값이 가장 큰 적색 색소가 가장 극성의 크기가 작으며 그 다음으로는 청색이 그리고 황색 색소의 극성 크기가 가장 큰 것을 알 수 있었다. 또한 미지시료 A에서는 황색과 청색이 분리되었으며, 미지시료 B에서는 청색과 적색이 분리된 것을 관찰할 수 있었다. 그리고 미지시료를 구성하는 각 색소의 이동 거리는 단일한 색소가 이동한 거리의 경향과 같았으며 이동한 거리는 더 짧은 것을 확인할 수 있다. 이는 각 시료가 혼합될 때 분자간 인력이 작용하여 발생한 결과라고 예상된다.

2) 컬럼 크로마토그래피(실험 2)에 대한 관찰

정상 크로마토그래피를 진행하기 위해서 극성 물질인 실리카 겔을 고정상으로 하고 이동상으로 작은 극성을 갖는 뷰탄올을 전개제로 사용했다. 이 기법에서는 고정상이 항상 균일한 상태를 유지하는 것이 중요하다. 실리카 겔 사이에 공기가 들어가서 분리를 방해해서도 안되며, 실리카겔이 균일하게 녹지 않아서 분리의 정도에 차이가 발생해도 안되기 때문이다. 실리카겔의 균일함을 유지하기 위해서 실리카겔을 적실 때 2가지 점을 고려했다. 우선 실리카 겔에 뷰탄올(전개제)를 밀어 넣을 때 주사기의 피스톤을 최대한 조금 넣으려고 했다. 뷰탄올로 실리카 겔을 적시기 위해서 지나치게 피스톤을 깊게 집어넣으면 그만큼 피스톤을 빼내야 하는 거리도 증가한다. 피스톤을 뺄 때 주사기의 구멍을 통해서 공기가 유입되며 이는 실리카겔 사이에 공기가 들어가는 결과로 이어진다. 결국 뷰탄올을 넣었지만 그 속에 공기도 같이 들어가게 되어 균일한 고정상을 유지할 수 없게 된다. 또한 실리카 겔이 건조되어 공기가 유입되는 것을 방지하기 위해 뷰탄올의 메니스커스가 실리카 겔의 최상단보다 항상 위에 위치하도록 뷰탄올을 충분히 사용했다. 시료가 최대한 수평을 이루며 분리될 수 있도록 시료를 같은 양으로 뷰탄올 전면에 시료를 부었다. 시료를 부어 실리카 겔에 충분히 흡수되도록 한 후 다시 뷰탄올(이동상)을 부어 미지 시료의 분리를 진행했다. 미지 시료 A의 경우 확실하게 분리가 되지 않은 듯해 보였으나 하단부가 노랑 빛을 보이며 상단부가 비교적 푸른 빛을 보이는 것을 통해 황색 시료가 먼저 용출되었으며 그 다음으로 청색 시료가 후에 분리되는 것을 확인했다. 또한, 미지시료 B에 대해서는 적색 시료가 먼저 용출 되었으며 청색 시료가 후에 용출되는 것을 확인할 수 있다. 정상 크로마토그래피에서 극성 고정상을 사용하므로 먼저 용출되는 색소가 비교적 더 작은 극성을 나타내는 것을 알 수 있다. 이를 이용하면 미지시료 A에서 황색 색소가 청색 색소보다 더 작은 극성을 보이는 것을 확인할 수 있으며, 미지시료 B에서는 적색 색소가 청색 색소보다 더 작은 극성을 나타내는 것을 알 수 있다. 이 두 정보를 종합하면 청색의 극성이 제일 크며 실험 2의 결과만으로는 적색과 황색 색소의 극성 크기는 불가능하다고 판단했다.

2. 실험 정보 종합 및 오류 발생 이유 확인과 개선

1) 실험 정보의 종합

실험 1과 실험 2의 정보를 통해서 미지시료에 대한 정보와 각 시료의 정보를 분석할 수 있었다. 미지시료가 어떤 색소로 구성되었는지 살펴보기에는 컬럼 크로마토그래피보다는 TLC를 이용했을 때 더 수월했다. 색의 삼원색은 마젠타(적색), 노랑(황색), 그리고 시안(청색)이 해당한다. 이를 기반으로 미지 시료의 색을 관찰해본 결과 초록(시안과 황색의 혼합), 남색계열(마젠타와 시안의 혼합)인 것을 알 수 있었다. 실제로 TLC를 진행해본 결과 미지시료 A가 황색과 청색, 그리고 미지시료 B가 청색과 적색 색소로 명확하게 구분되는 것을 통해서 미지시료 A의 조성은 황색과 청색 색소, 그리고 미지시료 B의 조성은 청색과 적색 색소인 것을 알 수 있었다. 시료의 조성은 큰 무리없이 분석할 수 있었지만, 각 시료가 갖는 극성의 크기를 비교할 때는 어려움이 존재했다. 두 실험결과와 실제 나왔어야 하는 결과가 어떤 차이점을 보이는지 밑의 표를 통해서 살펴보자.

TLC에서 황색 색소가 거의 분리가 안되는 것처럼 보여 실험상 오류가 발생했다고 생각되었지만, 실제 결과와 상충되는 부분이 없었다. 오히려 컬럼 크로마토그래피를 진행했을 때 나타난 결과와 이론적으로 나왔어야 하는 결과가 상충하는 것을 확인할 수 있다.

2) 실험 결과에서 오류가 발생한 이유에 대한 고찰 및 보정

① TLC

ⅰ) 오차원인 분석

얇은 층 크로마토그래피를 진행할 때 크게 2가지 문제점이 있었기 때문에 올바른 실험 결과를 얻지 못했다 첫 번째로 제조한 전개제가 모든 시료를 분리하지 못했다. 뷰탄올과 물에 대해서 색소는 특별한 반응을 보이지 않으므로, 아마 아세트산의 작용으로 인하여 황색 색소가 이동하지 못했음을 생각해볼 수 있다. 또한 TLC plate의 가로 길이게 비커의 크기에 비해 약간 컸다. 그래서 TLC plate가 완전히 수평으로 있지 못하고 오른쪽으로 약간 기울었기 때문에 전개가 정확하게 발생하지 않았다.

ⅱ) 발생한 오류 값에 대한 보정

용매가 전개되는데 용질이 따라 올라가는 비율은 거의 일정하기 때문에 Rf값에 큰 영향을 미치지못한다. 지오지브라 프로그램을 이용해서 경사진 각도를 구하고 세로에 대한 정사영 값을 구해 Rf값을 구해도 수치의 변화도 거의 없으며 극성의 크기 변화에 영향을 주지 못함을 확인할 수 있다. 보정Rf는 가정된 수직 이동거리에 대해 값을 구하는 것이므로 다음과 같이 표현할 수 있다.

\[R_{f,fixed}=\frac{용매의\,이동거리\times cos(경사각)}{이동상의\,이동거리}=R_f \times cos(경사각)\]

변화 수치를 정확하게 보기 위해서 유효숫자를 무시하고 소수점 아래 넷째자리까지 표현했다.)

또한 올바른 전개제를 사용해서 시료가 올바르게 분리되었다면 아래와 같은 결과를 얻을 수 있을 것이다.

② 컬럼 크로마토그래피

ⅰ) 오차원인 분석

미지시료 A에 들어있는 두 색소에 대해서 어떤 색소를 섞었는지 구분이 힘들었다. 이 때문에 미지 시료를 구성하고 있는 색소에 대해 극성의 차이를 명확하게 결정짓지 못했다. 실험을 진행할 때, 그리고 결과를 해석할 때 고려하지 않은 부분이 있었기에 잘못된 결과를 얻었다고 생각했다. 우선 실험 과정에서 발생한 문제점에 대해서 살펴보도록 하자. 분리를 위해 만든 칼럼의 길이에 비해서 분리하려고 했던 시료의 부피가 지나치게 컸기 때문에 실험 시간 동안 완전한 분리를 하지 못했다. 이번 실험을 하며 고정상(실리카 겔)이 마르지 않도록 뷰탄올의 메니스커스를 실리카 겔보다 높은 위치에 유지하도록 했어야 했다. 이 위에 미지시료를 넣을 때 뷰탄올과 실리카 겔이 충분히 실리카겔에 흡수된 후에 다시 뷰탄올을 부어야 한다. 이를 고려하지 않고 뷰탄올을 넣었기 때문에 뷰탄올에 시료가 섞여 분리해야 하는 미지시료의 부피가 증가했다. 결국 넣어준 시료의 양에 비해 분리해야 하는 시료의 양이 급증했기 때문에 분리를 위해 필요한 컬럼의 길이도 증가했으며 필요한 시간도 증가하게 되었다. 분리에 충분한 컬럼의 길이도 확보하지 못했고 또 완벽한 분리가 될 때까지 충분히 기다리지 않았기 때문에 명확한 분리 결과를 얻지 못했다. 두 번째로는 진행한 실험의 결과를 해석할 때의 다양한 변수를 생각하지 않고 보이는 결과만 이용해서 해석했기에 문제가 발생했다. 이번 실험 결과를 해석할 때 단순히 노란 계열 색이 컬럼의 하단부에 보였다는 것을 근거로 극성의 크기가 청색 색소가 더 크다고 판단했다. 하지만 ‘분리한 시료의 불균일성’에 대해서 고려하지 못했다. 진행을 분리한 시료는 황색 색소와 청색 색소로 이루어진 미지시료 A다. 이때 분리를 위해서 뷰탄올을 섞었기 때문에 분리가 된 시료가 완벽한 균일 혼합물이라고 판단하기 힘들다. 흙탕물과 같은 불균일 혼합물에서 같은 양의 모래를 섞었더라도 혼합물의 형상이 달라질 수 있다. 이번에 진행된 미지시료도 마찬가지이다. 시료가 전개제에 의해 불균일하다면 완벽한 분리가 발생했다고 판단하지 못한다면 그 시료가 눈에 보이는 것만으로는 어떤 상태에 놓여있는지 명확하게 규명할 수 없다. 이를 고려하지 않고 단순히 황색 색소가 밑에 있다는 관찰 사실만 가지고 실험을 다시 해보지 않고 결과를 확정했기 때문에 이상적으로 실험을 진행했을 때 얻을 수 있던 결과와 모순이 발생했다.

ⅱ) 발생한 오류 값에 대한 보정

이를 반영해서 올바르게 실험을 진행하면 아래와 같은 분리 형태 결과를 얻을 수 있다.

올바른 결과를 이용하면 실험 2만 진행했더라도 극성의 크기 비교를 할 수 있었을 것이다. 미지시료 A를 분리해본 결과 황색 색소의 극성이 청색 색소보다 더 큰 것을 알 수 있다. 또한 미지시료 B를 분리한 결과 청색 색소보다 적색 색소의 극성이 더 작은 것을 알 수 있다. 이 두 사실을 조합하면 극성의 크기를 큰 순서대로 나열하면 황색-청색-적색인 것을 확인할 수 있었을 것이다.

Ⅷ. Reference

1. 대한화학회, 표준 일반화학실험 제 7판, 천문각, 2011, pp. 73~82

2. 오도석, CHROMATOGRAPHY 1st reviced edition, 학술편수관, 2012. pp. 13~15, 82~83, 282~287