1. Abbe 굴절계를 이용하여, 굴절률을 측정하는 방법을 습득하고, 그를 이용하여 미지시료의 농도를 예측한다.
2. 굴절률은 일정한 온도에서 각 화합물에 따라서 고유의 값을 갖기 때문에 굴절률을 조사함으로서 화학실험과정에서 생성된 액체상태의 순도 및 생성물의 종류를 구분할 수 있기 때문에 화학실험에서 굴절률 측정은 중요하다.
3. 액체에 광선이 입사되어 굴절되는 정도를 굴절률(refractive index) 이라고 한다. 굴절률은 어느 온도에서 시료유지에 들어가는 광선의 입사각의 tan값과 굴절각의 tan값의 비를 말하는데 이 굴절률을 측정함으로서 그 물질의 순도나 농도 등을 알 수 있다.
4. Abbe 굴절계를 이용하여 다른 부피%의 에탄올 수용액의 굴절률을 측정할 수 있다.
굴절률
물질의 굴절률은 기준 물질을 설정함으로써 비교하여 정의되는 값이다. 기준 매질로 정한 물질 A를 지나는 파동의 속력이 vRef 이고, 동일한 파동이 매질B를 통과하는 경우에 진행 속력이 vB이면 매질 B의 굴절률(n)은 n= vRef/vB으로 정의된다. 정의에 따라서 기준 매질의 굴절률은 1이다. 이렇게 정의된 굴절률은 스넬의 법칙에서 다른 매질의 경계면을 지나는 파동의 경로가 휘어지는 정도를 나타낸다.
임계각
밀도가 다른 두 매질의 경계면에 빛이 입사할 때 빛의 반사율은 스넬의 법칙에 따라 두 물질의 밀도차이, 굴절률의 차이가 클수록, 입사각이 클수록 커진다. 또한 입사각이 커지면 굴절각도 커지며, 굴절률이 작은 소한 매질의 각도가 밀한 매질의 각도보다 크다.
빛이 밀한 매질에서 소한 매질로 진행할 때 입사각을 점점 크게하여 어떤 입사각( ic )이 되면 굴절각(r)이 90˚가 되는데, 이 때의 입사각을 임계각이라고 하며, 임계각보다 큰 각도로 빛이 입사하면 빛은 굴절성분 없이 경계면에서 100% 반사한다. 이런 현상을 전반사(total internal reflection)라고 한다.
임계각은 스넬의 법칙에 따라 두 물질의 굴절률의 비로 나타낼 수 있다. 물에서 공기로 빛이 진행하는 경우 임계각은 48˚이다.
실험 방법
(1) 에탄올 용액 제조
1) 에탄올 0wt%, 20wt%, 40wt% 60wt% 80wt% 100wt% 용액을 10㎖ 제조한다.
(2) Abbe 굴절계의 사용법
1) 프리즘을 알코올에 적신 솜으로 가볍게 닦아서 깨끗하게 한다. 이때 프리즘 표면이 긁히지 않도록 조심해야 한다.
2) 물을 순화시킬 수 있도록 항온조와 프림즘 덮개를 연결한다.
3) 프리즘을 들어서 바닥에 시료 용액을 2~3방울 떨어뜨린 다음 프리즘을 덮어서 고정 시킨다.
4) 망원경의 시야가 어둔운 부분과 밝은 부분이 정확하게 1/2씩 될 때까지 조절 나사를 돌려서 프리즘을 이동시킨다.
5) 시야를 반으로 나누는 선이 정확하게 교차선이 만나는 점에 오도록 조정한다.
6) 눈금을 읽는다
7) 한 시료의 측정이 끝날 때마다 프리즘과 바닥을 알코올에 적심 솜으로 3~4차례 가볍게 닦아서 청결하게 한다.
(3) 에탄올 용액 제조 방법
Wt% = 용질의 질량/용매의 질량 이므로 각각의 질량비는 다음과 같다.
0 Wt% → 에탄올 : 물 = 0 : 100
20 Wt% → 에탄올 : 물 = 20 : 80
40 Wt% → 에탄올 : 물 = 40 : 60
60 Wt% → 에탄올 : 물 = 60 : 40
80 Wt% → 에탄올 : 물 = 80 : 20
100 Wt% → 에탄올 : 물 = 100 : 0
간단한 방법을 사용하자면, 에탄올과 물을 위의 질량비처럼 혼합하여, 그 용액에서 10㎖를 추출하여 사용하는 방법이 있다. 하지만 에탄올과 물의 양이 넉넉하지 않을 경우에는 정확한 계량을 통해 낭비를 최소화 하는 방법을 사용하여야 하는데, 그러기 위해서는 비중를 이용하여 조성비를 구해야 한다.
에탄올의 비중은 약 0.7893 이므로, 증류수가 8g이고 에탄올이 2g 이라면 그때의 에탄올의 부피는 약 2.5338㎖ 용액의양은 약 10.5338㎖이므로, 필요한 에탄올의 양을 구하는 관계식은 다음과 같다.
10.5338 : 10 = 2.5338 : x
x ≃ 2.4054㎖
같은 방법으로 40 , 60 , 80 , 100 일때를 구하면,
40 → 4.5788㎖
60 → 6.5538㎖
80 → 8.3520㎖
100 → 10㎖
(4) 굴절계로 에탄올 용액(0%∼50%)의 굴절률 측정
① 증류수 100㎖와 각각 10%, 20%, 30%, 40%, 50%의 에탄올 부피백분율을 포함하는 에탄올+증류수 혼합액을 만들어 100㎖ 매스 플라스크 6개에 각기 담는다.
② 아베 굴절계의 프리즘 뚜껑을 열고, 증류수로 잘 닦은 후 영점을 잡는다. 이때 증류수로 측정한다.
③ 아베 굴절계에 있는 디지털 온도 표시기로 측정 시 온도를 측정한다.
④ 10% 에탄올 부피백분율을 포함하는 에탄올+증류수 혼합액을 아베 굴절계의 프리즘에 몇 방울 떨어뜨리고 굴절률을 측정한다.
⑤ 측정값을 기록한다.
⑥ 위의 ②∼⑤과정을 각각의 혼합액으로 반복 실험한다.
[물리화학실험]Abbe 굴절계를 이용한 굴절률 측정 레포트
(1) 굴절률 물질의 굴절률은 기준 물질을 설정함으로써 비교하여 정의되는 값이다. 기준 매질로 정한 물질 A를 지나는 파동의 속력이 vRef 이고, 동일한 파동이 매질B를 통과하는 경우에 진행 속력
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