[일반화학실험 A+ 1등 레포트] 실험 17. 식용색소의 농도 결정 실험 결과보고서

소개글

[일반화학실험 A+ 1등 레포트] 실험 17. 식용색소의 농도 결정 실험 결과보고서에 대한 보고서 자료입니다.

목차

실험 데이터 및 처리
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Part I: 식용색소 용액의 흡수 스펙트럼

1. 식용색소 용액들의 흡수 스펙트럼을 λ = 400 ~ 800 nm 범위에서 한 그래프에 같이 그린다.

(흡수 스펙트럼)

각 색소 용액의 흡수 스펙트럼에서 λmax와 λmax에서의 흡광도, A는 얼마인가?


Part II: 표준곡선(standard curve) 또는 검정곡선(calibration curve)의 작성

1. 식용색소(청색 1호) 용액은 100 mL 부피플라스크에서 50 mg의 색소를 사용하여 저장용액(stock solution)을 제조한 후 이를 1/100으로 희석하여 준비하였다. 이 식용색소(청색 1호) 용액의 농도를 구하라. 식용색소(청색 1호)의 분자량은 792.84 이다. (M = mol/L)


ⅰ) 1/100으로 희석하기 전 용액의 몰농도

ⅱ) 1/100으로 희석한 용액의 몰농도

2. 앞에서 구한 식용색소(청색 1호) 용액의 농도로부터 묽힌 색소 용액들의 농도를 구한다.


3. 흡광도 vs 색소 용액의 농도의 그래프(흡광도를 y-축으로 할 것)를 그린다.


(흡광도 vs 농도 그래프)


4. 흡광도 vs 농도 데이터들을 지나며, 또한 원점을 지나는 직선의 직선식 ()을 구하라 (앞의 그래프에 직선을 같이 그릴 것). 이 직선이 흡광도 vs 농도 사이의 비례 관계를 나타내는 표준곡선(standard curve)이다.




Part III: 구강청결제에 들어 있는 식용색소의 농도 결정

1. 식용색소(청색 1호) 용액과 구강청결제의 흡수 스펙트럼을 같은 그래프에 그린다 (λ = 400 ~ 800 nm 범위). 이때 구강청결제의 스펙트럼은 식용색소(청색 1) 용액의 λmax에서 흡광도 값이 서로 일치하도록 일정 상수를 곱하여(즉, y-축을 증폭하여) 그린다. 두 스펙트럼은 서로 유사한가?

(식용색소(청색 1호) 용액과 구강청결제의 흡수 스펙트럼 첨부)

2. 식용색소(청색 1호) 용액의 λmax에서 구강청결제의 흡광도(상수를 곱하기 전의)는 얼마인가?



3. Part II에서 얻은 표준곡선을 사용하여 구강청결제에 포함되어 있는 식용색소(청색 1호)의 농도를 구하라.

또한 구강청결제 100 mL에는 몇 mg의 식용색소(청색 1 호)가 들어 있겠는가?




- 실험 결과에 대한 고찰



다음의 질문에 답하시오.
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1. Part I의 결과를 토대로, 색소 용액의 색과 색소 용액이 흡수하는 색(흡수 스펙트럼에서의 λmax) 사이에 어떤 연관성이 있는가?



2. 흡광도 표준곡선을 작성할 때, 보통 흡광도는 λmax에서 측정한다. 그 이유는 무엇인가?



3. 이번 실험에서 얻은 표준곡선의 기울기, a의 단위는 무엇인가? a는 몰흡광계수(molar absorption coefficient)와 어떤 관계가 있는가?



4. 흡광도와 농도 사이의 비례 관계는 항상 성립하는 것은 아니다. 용액의 농도가 높아지면 다음 그림에서처럼 흡광도 vs 농도의 그래프가 직선으로부터 벗어나게 된다. 이와 같은 비선형(nonlinear) 관계를 나타내는 이유는 무엇인가?



- 참고문헌

본문내용

유사하기 때문에 기기의 파장 선택이 정밀하지 않아 생기는 불확정성이 낮다. 따라서 그래프를 그릴 때 최대 흡수 파장에서 측정하는 것이다. 몰흡광계수는 물질이 특정 파장의 빛을 얼마나 잘 흡수하는가를 나타내며 빛의 파장에 의존하는 값이다. 또한, 흡광도는 몰농도와 경로길이의 곱에 비례한다는 수식에 비례상수로서 곱해주는 값으로 흡광도는 몰농도와 경로길이 그리고 몰흡광계수를 곱한 값과 같다고 나타낼 수 있다. 이는 본 실험에서 가장 중점적으로 활용된 Beer-Lambert 법칙이며 Beer 법칙과 Lambert 법칙을 혼합한 것이다. 표준 곡선은 대표적인 모델에 대해 모델 변수의 변화에 따라 모델 반응을 이론적으로 계산한 곡선이다. 실험에 주로 사용된 기구는 가시광선 분광광도계, 큐벳, 플라스크, 피펫 등이 있으며, 주로 사용된 시약은 식용색소와 구강청결제가 있다. 주요 실험 기구의 사용법과 사용 시 유의사항 그리고 용액의 물리/화학적 특성과 사용 시 주의해야하는 사항에 대해 사전에 조사하고 익혀두어야 한다.
본 실험자는 이번 실험을 통해 분광광도계를 활용하여 여러 가지 색의 식용색소 용액들의 흡광도를 얻고 이를 활용하여 흡수 스펙트럼을 구해 볼 수 있었다. 본 과정을 통해 색을 띤 용액이 흡수하는 빛의 색(파장)은 용액의 색과 어떠한 관계가 있는지에 대해 탐구할 수 있었다. 또한, 흡광도 vs 농도 표준 곡선을 얻고 이를 활용하여 구강청결제에 들어 있는 식용 색소의 양을 정해보는 과정을 학습할 수 있었다. 더불어, 실험 과정에서 희석하는 방법에 대해 명확하게 익힐 수 있었다.
본 실험에서는 실험방법과 유의사항에 주의하여 실험하였기에 오차가 적게 발생하였다. 몰농도를 계산하는 과정에서 다소 반올림의 오차가 발생했을 것으로 사료된다. 반올림의 오차를 줄이기 위해 가능한 하나의 식을 작성하여 전부 계산한 다음에 유효숫자를 정리해 주어야 한다. 더불어, Beer 법칙은 묽은 용액에서 성립하며 0.01 M보다 진해지면 흡수 화학종 사이의 평균 거리가 가까워지기 때문에 서로의 전자 분포 상태에 영향을 주게 되고 이때 일정한 파장의 빛에 대한 흡수가 감소한다. 농도에 따라 화학종 간의 상호 작용이 다르므로 흡광도와 농도 사이의 직선 관계에 편차를 주게 된다. 기기 자체나 시료의 특성으로 인해 Beer 법칙에서 이탈하고 오차의 폭이 커지기도 한다. 이에 따라 측정 농도에 한계가 있으며 흡광도와 농도 사이의 비례 관계는 항상 성립하지는 않고 오차가 발생하기도 한다. 본 실험에서는 비교적 묽은 용액을 활용하여 진행했기 때문에 농도에 따른 오차는 발생하지 않았다. 다음 실험을 진행할 때에도 본 실험과 같이 진행하면 오차가 적게 발생할 것으로 추측된다.
다음의 질문에 답하시오.
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1. Part I의 결과를 토대로, 색소 용액의 색과 색소 용액이 흡수하는 색(흡수 스펙트럼에서의 λmax) 사이에 어떤 연관성이 있는가?
Part Ⅰ의 그래프를 살펴보면 색소 용액이 색을 흡수하는 부분에서 봉우리()의 양상을 나타냄을 알 수 있다. 색소 용액이 청색, 황색, 적색일 때 에 해당하는 색은 각각 빨간색, 남색, 초록색이다. 청색의 보색은 빨간색, 황색의 보색은 남색, 적색의 보색은 초록색이다. 이를 통해 반사되는 빛의 색과 흡수하는 빛의 색이 보색 관계에 있음을 알 수 있다.
보색 관계에 있는 흡수하는 빛과 반사되는 빛은 다음과 같다.
2. 흡광도 표준곡선을 작성할 때, 보통 흡광도는 λmax에서 측정한다. 그 이유는 무엇인가?
빛의 파장에 따라 흡광도 변화를 살펴보면 흡수 파장이 최대가 되는 부분에서 봉우리 형태를 띤다. 그 정점에 해당하는 부분이 최대 흡광 파장()이며 이를 활용하면 최대의 감도를 이끌어 낼 수 있다. 최대 흡수 파장인 흡광 봉우리의 전후에는 흡광 되는 정도 유사하다. 따라서 최대 흡광 파장을 중심으로 흡광도는 일정하며 봉우리 부근은 평평하다. 이와 같은 조건에서 흡광도를 측정할 경우에 Beer 법칙이 잘 성립한다. 또한, 봉우리 부근의 파장을 선택해서 측정하는 경우에는 기기의 파장선택이 정밀하지 못하여 발생하는 흡광도의 불확정성이 낮다. 따라서 흡광도 표준 곡선을 작성할 때, 보통 흡광도는 최대 흡수 파장()에서 측정하는 것이다.
3. 이번 실험에서 얻은 표준곡선의 기울기, a의 단위는 무엇인가? a는 몰흡광계수(molar absorption coefficient)와 어떤 관계가 있는가?
이번 실험에서 얻은 표준 곡선은 으로 이때 y는 흡광도, x는 몰농도를 의미한다.
Beer-Lambert 법칙에 따라 이다. 그러므로 기울기 a는 몰흡광계수와 경로 길이를 곱한 값과 같다. 이를 통해 a는 몰흡광계수와 비례관계에 있음을 알 수 있다.
흡광도는 단위가 존재하지 않는다. 또한, 몰농도의 단위는 M 이며 몰 흡광계수의 단위는 이고 경로 길이의 단위는 cm이다. 앞서 기울기 a는 몰흡광계수와 경로 길이를 곱한 값과 같다고 했으므로 단위는 이다. 는 혹은 이라고 할 수 있다.
4. 흡광도와 농도 사이의 비례 관계는 항상 성립하는 것은 아니다. 용액의 농도가 높아지면 다음 그림에서처럼 흡광도 vs 농도의 그래프가 직선으로부터 벗어나게 된다. 이와 같은 비선형(nonlinear) 관계를 나타내는 이유는 무엇인가?
Beer 법칙은 농도가 묽은 용액에서만 성립한다. 농도가 0.01 M보다 진해지면 흡수 화학종 사이의 평균 거리가 가까워지기 때문에 서로의 전자 분포 상태에 영향을 주게 되고 이때 일정한 파장의 빛에 대한 흡수가 감소한다. 농도에 따라 화학종 간의 상호 작용이 다르다. 그러므로 본 현상은 흡광도와 농도 사이의 직선 관계에 편차를 주게 된다. 더불어, 기기 자체나 시료의 특성으로 인해 Beer 법칙에서 이탈하고 오차의 폭이 커지기도 한다. 이에 따라 측정 농도에 한계가 있으며 흡광도와 농도 사이의 비례 관계는 항상 성립하지는 않는 것이다.
참고문헌
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일반화학, Steven S. Zumdahl, Cengage, 2018, 171쪽

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