【화학】 24강. 일반화학 실험

24강. 일반화학 실험

 

추천글 : 【화학】 화학 목차

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1. 반응용기 [본문]

2. 실험장비 [본문]

3. 실험시약 [본문]

4. 실험기법 [본문]

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a. 유기화학 실험 

b. 화학 실험 예제 

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1. 반응용기 [목차]

 

 

2. 실험장비 [목차]

⑴ 원자힘 현미경(atomic force microscope, AFM)

① 원자 지름의 수십분의 1까지 측정 가능

② 대기 중에서도 사용 가능

⑵ 원소분석기(elemental analyzer)

① C, H, N, S, O의 양(%)을 결정

② 정확한 양의 시료를 O₂ 공존 하에서 연소시켜 구성 원소(C, H, N, S, O)를 이온화

③ oxidation reactor에서 H₂O, CO, CO₂, N₂, NO, NO₂, SO₂, SO₃로 산화

④ reduction reactor에서 NO, NO₂는 N₂로, SO₃는 SO₂로 환원시키고 CO를 CO₂로 다시 산화

⑤ 산소 측정시 산소가 없는 상태에서 열분해 과정을 거친 후 최종적으로 생성된 CO₂의 양을 측정

⑥ 기타 생성기체는 adsorption trap으로 분리

⑦ 최종적으로 생성된 기체를 헬륨 하에 GC 크로마토 그래피를 하여 각 함량을 계산

⑶ EDS(energy dispersive x-ray spectroscopy)

① characteristic x-ray를 이용

⑷ 기체 크로마토그래피(GC, gas chromatography)

① 정의 : 증발된 시료 성분이 분리관에 있는 고정상과 이동하는 기체상 사이에 분배되어 분리되는 방식

② 운반기체는 고순도의 헬륨, 수소, 질소, 아르곤 등의 비활성 기체 : 기체상으로 주로 He이 사용됨

○ 이유 1. H₂, He 등 분자량이 가벼운 기체 분자들은 확산 계수가 커서 더 빠르게 분리를 함

○ 이유 2. H₂, He 등 분자량이 가벼운 기체 분자들은 열전도도가 크므로 예열 시간이 적게 걸림

○ 이유 3. H₂, O₂ 등의 기체는 반응 시료와 반응할 수 있음

③ 장점 : 해상도가 높음

④ 단점 : 휘발이 안 되면 분석이 안 되므로 분자량이 작아야 함

○ 시료의 분자량 조건 : 10⁰ ~ 10³

○ 일반적으로 분자량이 500을 넘어가면 기체 크로마토그래피를 하기 어려움

⑤ 응용 1. GLC(gas-liquid chromatography)와 GSC(gas-solid chromatography)

⑥ 응용 2. 기체 크로마토그래피로 분자량을 측정할 수 있음 : retention time과 분자량의 상관관계를 이용

⑦ 응용 3. GC-MS(gas chromatography mass spectrography)

○ 1^st. 기체 크로마토그래피에서 분리된 물질은 전자 이온화 혹은 화학적 이온화되어 질량 의존적으로 분류됨

○ 2^nd. 분류된 물질들은 고유의 질량 스펙트럼을 형성함

○ 3^rd. 이를 축적된 라이브러리 데이터와 비교하여 구조 정보를 취득하거나 정량분석이 이루어짐

○ 1차 이온을 선별하고 2차 이온화를 수행하여 보다 미량의 성분들을 정량하기도 함

⑸ 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC, high-performance lipid chromatography)

① 크로마토그래피에서 고정상에서의 화합물의 이동거리 차이를 이용해 극미량의 물질의 존재 및 분자량 측정

② 시료의 분자량 조건 : 6 × 10¹ ~ 10⁴

③ solvent, pump, injector, column, detector, recorder로 구성

④ HPLC에서 가장 널리 사용되는 검출기는 자외선 검출기

⑤ RI 검출기는 용질에 대해서는 감도가 높지 않으나 압력, 온도 같은 주위 환경 변화에 매우 민감

⑹ ICP(inductively coupled plasma)

① ICP : 시료를 고주파 유도 코일에 의하여 형성된 아르곤 플라즈마에 도입하여 6000 ~ 8000 K에서 여기된 원자가 바닥상태로 이동할 때 방출하는 발광선 및 발광강도를 측정

② 여기된 전자는 10^-7 ~ 10^-8 초 뒤에 바닥상태로 이동

③ 그 에너지 차이만큼 빛을 방출하고 회절격자분광기로 분광시킨 후 파장별 빛의 세기를 측정

④ 응용 1. ICP-MS

⑺ 주사전자현미경(SEM)

① 주로 시료 표면의 정보를 얻을 수 있음

② 광학 현미경에 비해 초점 심도가 2배 이상 깊음

⑻ VSM(vibrating sample magnetometer)

① 원리 : 자기이력현상

⑼ XRD(X-ray diffraction)

① 원리 : 브래그 회절 

⑽ XPS(X-ray photoelectron spectroscopy)

① 원리 : 광전효과 

 

 

3. 실험시약 [목차]

 

 

4. 실험기법 [목차]

⑴ 화학실험의 기초

① 독성 기체가 발생하는 실험은 후드에서 수행

② 묽은 황산을 만들 때 비커에 물을 먼저 넣은 후 진한 황산을 넣음

③ 진한 염산을 비커에 따를 때 유리 막대를 이용하여 염산이 비커 벽을 따라 흘러내리도록 함

④ NaOH는 수분을 잘 흡수하기 때문에 무게를 정확하게 측정하기 어려움

⑤ 만들어진 NaOH 수용액을 유리 용기에 장기간 보관하지 않음

⑥ 수은 온도계가 깨지면 충분한 양의 황 가루를 뿌린 후 하루 뒤에 수거 

⑵ 용액의 적정과 표준화

① 적정 : 미지 시료의 양을 결정하기 위한 실험적 방법

○ 뷰렛 : 부피를 측정하는 기구

○ 뷰렛을 사용하여 시료가 완전히 소모될 때까지 농도를 아는 용액을 가해줌

○ 뷰렛으로 용액을 넣어주었을 때 즉각적으로 완결될 수 있는 반응을 이용

② 표준화

○ 1차 표준물질 : 특정 농도의 용액을 정확히 제조하여 사용할 수 있는 물질

○ 조건 1. 순수한 상태(일정한 조성)로 얻어질 수 있어야 함

○ 조건 2. 정제가 쉬워야 함

○ 조건 3. 분자량이 커야 함 : 질량을 측정할 때 상대 오차가 적음

○ 표준용액 : 1차 표준물질로 표준화를 거쳐 적정에 사용할 수 있는 용액

○ 표준화 : 1차 표준물질의 수용액을 이용하여 적정에 사용할 용액의 농도를 정확히 측정하기 위한 과정

○ 예 : 1차 표준물질인 프탈산수소포타슘(KHP)의 수용액을 이용하여 NaOH(aq)의 농도를 측정, 이때 NaOH는 표준용액

⑶ 직접 적정 및 간접 적정

① 직접 적정 : 분석 물질의 양을 직접 적정하는 방법

○ 조건 1. 분석 물질과 표준 용액 사이의 반응이 빠름

○ 조건 2. 완전히 완결되는 반응

○ 조건 3. 당량점에서 사용할 수 있는 적당한 지시약이 있음

○ 예 1. NaOH 표준용액을 사용하여 아세트산의 농도를 측정할 때

 

CH₃COOH + OH^- → CH₃COO^- + H₂O

 

○ 예 2. AgNO₃ 표준용액을 사용하여 Cl-의 농도를 측정할 때

Ag⁺ + Cl^- → AgCl

 

② 간접 적정 : 직접 적정에서 조건을 만족하지 않는 경우에 사용

○ 치환적정 : 분석 물질과 완전히 반응하는 용액을 과량 첨가한 후, 생성물을 적정하는 방법

○ 예 : EDTA를 이용한 금속 양이온의 정량

○ 1단계. 금속 양이온 Mⁿ⁺를 포함하는 수용액에 마그네슘의 EDTA 착화합물(MgY^2-)을 첨가

 

MgY^2- + Mⁿ⁺ → MY^n-4 + Mg²⁺

 

○ 2단계. 치환되어 나온 Mg²⁺를 다시 EDTA로 적정

○ 2단계에서 Eriochrome Black T 또는 Calmagite가 지시약으로 사용될 수 있음

○ 2단계 적정 과정에서 측정된 Mg²⁺의 몰수는 원래 용액에 포함되어 있던 Mⁿ⁺의 몰수와 같음

○ 역적정 : 과량의 표준용액을 넣어준 후 남아 있는 물질의 양을 적정

○ 주로 분석 물질과 표준 용액 사이의 반응이 느리게 일어나 적정에 적합하지 않을 때 사용하는 방법

○ 예 1. 역적정을 이용한 Ni²⁺의 정량

○ 1단계. Ni²⁺ 이온을 포함하는 시료 용액에 과량의 EDTA 표준 용액을 가함

 

Ni²⁺ + Y^4- → NiY^2-

 

○ 2단계. 반응을 완결된 후 남아있는 EDTA를 Mg²⁺로 적정하여 농도를 정량

 

Mg²⁺ + Y^4- → MgY^2-

 

○ 3단계. Mg²⁺는 EBT 지시약과 착물을 형성하여 청색에서 자주색으로 변색됨  

○ 초기 용액 중 Ni²⁺의 몰수는 1단계에서 넣어 준 EDTA의 몰수와 2단계에서 측정한 EDTA 몰수의 차이 

○ 예 2. DNP method : 2,4-dinitrophenyl hydrazine 비색법이라고도 함

○ 1단계. 황산 내에서 산화형 물질와 DNP가 탈수반응을 하여 bi-2,4-dinitrophenyl hydrazone이 됨

○ 2단계. 적등색의 bi-2,4-dinitrophenyl hydrazone을 비색 정량하여 산화형 물질의 정량 가능

⑷ 방해물의 제거

① 가리움제(masking agent) : 원하지 않는 반응(부반응)이 일어나지 않도록 하는 물질

② 부반응에 참여하는 물질과 반응하여 제거하는 반응이 일어나도록 함

○ 예 : 강철 시료 중 구리의 정량

○ 정량에 사용되는 반응 : Cu²⁺ + 2I^- → Cu + I₂

○ 원하지 않는 반응 : 2Fe³⁺ + 6I^- → 2Fe + 3I₂

○ 가리움제 : F-를 첨가하면, Fe³⁺ + 3F^- → FeF₃(s)를 형성하여 부반응이 일어나지 않음

③ 침전법에 의한 분리 : 부반응에 참여하는 물질을 침전시켜 걸러내어 제거

④ 산도 조절에 의한 분리

○ 수산화물이나 산의 용해도는 용액의 pH에 따라 달라짐

○ 용액의 pH를 조절하여 수산화물을 용해시켜서 분리할 수 있음

⑤ 용매 추출을 이용한 분리

○ 섞이지 않는 두 용매 사이에서 화학종이 분배되는 정도가 다름

○ 물질을 한쪽 용매로 추출해낼 수 있음

 

입력 : 2019.09.08 23:51

수정 : 2022.07.06 17:46