화공생명공학기초실험 | UV-Vis Spectroscopy

 

 

 

TIP

 

 

1. UV/Vis spectrophotometer를 이용하여 분자내의 에너지와 광에너지간의 상호작용을 이용하는 자외선-적외선 분광광도법의 원리와 응용을 알아본다. 
2. 또한 농도가 다른 각각의 샘플을 통한 검량선 작성 및 흡광도 측정에 의하여 시료의 함량이 얼마인지를 알아낸다.

 

 

 

분자의 구조나 성질을 규명하는 여러 가지 수단 또는 방법 중에서 분자 내의 에너지와 빛에너지간의 상호작용을 이용하는 방법을 일반적으로 분광법이라 한다. 분자에 의한 자외선-가시선 영역의 빛에너지의 흡수는 분자내의 전자에너지의 전이를 나타내며 이런 전자에너지의 전이는 분자내의 전자구조, 즉 분자의 화학결합 상태 및 분자구조 등의 특징에 따라 흡수되는 빛에너지의 주파수와 세기가 다르게 나타난다.

 

따라서 자외선-가시선 분광법은 분자의 전자구조적 성질을 알아내는 가장 강력한 수단 중의 하나이며, 이러한 분자의 성질로부터 화합물의 정성 및 정량분석에 아주 널리 이용된다. 이번 실험에서는 과망간산칼륨 시료의 농도변화에 따른 흡광도 크기에 대한 검량선을 작성하여 과망간산칼륨의 미지농도를 계산한다.

 

 

Spectroscopy의 기본 원리

분자 내 원자간의 최외각 전자끼리 결합한 궤도(Bonding orbital)상에서의 전자의 배치는 한 원자 내에서는 어떤 전자라도 같은 4개의 양자수(Quantum number)를 가질수 없다는 Pauli의 축출원리에 따라 서로 반평행(antiparalle,⇅)의 spin을 갖는 전자들로 짝을 이룬다. 이렇게 서로 반대방향으로 짝을 이루는 spin의 상태를 Singlet state라 하며, 바닥상태에 있는 대부분의 분자는 Singlet 상태를 존재한다.

 

그러나 분자가 들뜬상태로 전이됨에 따라 반결합 궤도(antibonding orbitals)상의 들뜬전자(Excited electrons)들은 경우에 따라서 결합 궤도에 있는 결합에 관여하지 않는 전자와 spin 방향이 평행 또는 반평행 상태로 존재하게 되는데 특히 spin이 평행상태(⇈)로 존재하는 것을 Triplet state라 부른다.

 

분자가 전자기 복사선의 광자에너지에 의해 들뜬 상태가 되는 것은 대부분 singlet 상태에서 일어나며, singlet에서 triplet 또는 triplet에서 singlet 상태로의 전이는 용이하지가 않다. 분자가 전자기 복사선을 흡수하는 과정은 바닥상태에서 들뜬상태로 전이되는 과정이며, 이때 분자는 모든 영역의 전자기 복사선을 흡수하는 것이 아니라 분자가 존재할 수 있는 여러 에너지 준위 가운데 한 에너지 준위에서 다른 에너지 준위로의 전이에 곡 맞는 강도(intensity)와 파장역(band position and width)을 갖는 전자기 복사선만을 흡수하게 된다.

 

따라서 어느 분자에 대해 전자기 복사선의 흡수 정도를 여러 영역의 파장에 걸쳐 측정하는 것을 주사(scanning)라고 하며 이 결과 그 분자는 분자의 흡광에 가장 적합한 영역의 파장대에서 가장 높은 peak의 흡수 spectrum을 보여주는데 이 파장대를 최대흡수파장(maximum absorption wavelength, 𝛌_max)이라 한다. 분자마다 𝛌_max가 다르며 이로부터 표준물질과의 𝛌_max를 비교함으로써 미지 물질의 정성분석이 가능함과 동시에 𝛌_max파장에서 분석대상 성분물질의 정량분석이 이루어진다.

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실험 방법

1. 실험 과정

1) 0.0005M 부터 0.000005M까지 KMnO₄ 용액을 제조한다.

 

2) 농도에 따라 제조한 KMnO₄ 를 흡수파장 400에서부터 600까지 시료의 흡광도를 측정한다.

 

3) 측정실험이 끝나면 각 파장 단계별로 측정한 흡광도의 그래프를 작성하고 최대 흡수파장을 선정한다.

 

4) 최대흡수파장을 선정하여 KMnO₄ 농도를 변화에 따른 검량선을 작성한다.

 

5) KMnO₄의 미지농도에 대한 흡광도를 구하여 앞의 그래프를 이용하여 농도를 계산한다.

 

 

 

화공생명공학기초실험 - UV-Vis Spectroscopy 레포트