Ascorbic acid의 분자량 결정

목차

1.핵심 내용

2.배 경

3.실험 주제 : 어는점 내림

본문내용

로 물을 완전히 흡수하는 물질에 통과시켜 무게의 증가를 측정한다. 탄소, 수소 모두 산소와 잘 반응하는 성질을 이용하는 것이다. 산소는 다른 원소를 다 분석하고 나서 전체로부터의 차이로 결정한다.
비타민 C의 원소 분석
이제 리비히의 방법으로 비타민 C에 들어있는 탄소, 수소, 산소의 비율을 구해보자. 10.0 g의 비타민 C를 태웠더니 14.9 g의 이산화탄소와 4.1 g의 물이 얻어졌다고 하자. 그리고 비타민 C에는 탄소, 수소, 산소만 들어있는 것이 알려졌다고 하자. 수소, 탄소, 산소의 원자량은 각각 1.00, 12.0, 16.0이다.
우선 탄소의 연소에 관한 식을 써보자.
C + O2 CO2
이 식은 탄소 원자(C) 한 개와 두 개의 산소 원자(O)로 이루어진 산소 분자(O2) 한 개가 결합하면 이산화탄소 분자(CO2) 한 개가 생긴다는 것을 의미한다. 그런데 14.9g의 이산화탄소가 얻어졌다는 사실로부터 어떻게 하면 10.0g의 비타민 C에 들어있는 탄소의 무게를 알아낼 수 있을까? 다행히도 우리는 탄소와 산소의 원자량을 이미 알고 있다. 위의 식을 반응하는 탄소와 산소의 무게 비로 나타낸다면
12.0 + (16.0 2) 44.0
라고 쓸 수 있을 것이다. 그리고 이것을 그램 원자량을 사용하면 "12g의 탄소가 32g의 산소와 반응하면 44g의 이산화탄소가 얻어진다"라고 표현할 수 있을 것이다. 그렇다면 반응하는 탄소의 무게는 생성된 이산화탄소 무게의 (12.0/44.0=) 3/11라는 말이고, 따라서 14.9g의 이산화탄소는 (14.9 3/11=) 4.06g의 탄소로부터 얻어진 것이다.
분자식이 H2O인 물의 분자량은 (2 1.00+16.0=) 18.0이다. 그러니까 물에서 수소는 전체 무게의 (2.00/18.0=) 1/9을 차지한다. 따라서 4.1g의 물에는 0.456g의 수소가 들어있는 셈이다. 산소의 무게는 나머지인 (10.0-4.06-0.46=) 5.48g일 것이다.
다음 문제는 탄소, 수소, 산소 원자의 개수 비율이다. 개수의 비율은 무게를 원자량으로 나눈 값의 비율이 될 것이다. 전체 무게가 같다면 두 배가 무거운 것의 숫자는 반 밖에 안될 테니까. 따라서
탄소 원자의 수 : 수소 원자의 수 : 산소 원자의 수
= (4.06 / 12.0) : (0.456 / 1.00) : (5.48 / 16.0)
= 0.338 : 0.456 : 0.343
비교적 간단한 화합물의 경우에 들어있는 원자 수의 비율은 간단한 정수비가 되어야 할 것이다. 원자들을 쪼개서 분자를 만드는 일은 없기 때문이다. 위의 비율은 자세히 들여다보면 3:4:3의 정수 비로 나타낼 수 있음을 알 수 있다. 이와 같이 가장 간단한 정수 비로 표시된 화학식을 실험식이라고 한다. 즉, 비타민 C의 실험식은 C3H4O3이다. 그런데 실험식은 탄소, 수소, 산소 원자 개수의 비율만을 말해 줄뿐이지 실제로 한 분자 안에 탄소, 수소, 산소 원자가 몇 개씩 결합하고 있는지는 말해 주지 않는다.
19세기 후반에는 탄소, 수소, 산소의 결합 방식이 어느 정도 알려졌다. 탄소는 4개의 수소와 결합하고, 산소는 2개의 수소와 결합한다. 이로부터 예상할 수 있듯이 탄소는 2개의 산소와 결합한다. 이러한 관찰들로부터 원소들의 결합 능력을 원자가라고 부르게 되었는데, 수소를 1로 했을 때 산소의 원자가는 2, 탄소의 원자가는 4라고 생각할 수 있다. 원자가는 아래와 같이 결합수(結合手)로 나타낼 수도 있다.
H-H O=C=O H-O-H
탄소, 수소, 산소의 원자가를 만족시키면서 비타민 C의 실험식 C3H4O3를 만족시키는 즉, 탄소 3개, 수소 4개, 산소 3개가 결합한 화합물의 구조를 그려보자. 그리고 그러한 화합물이 안정할지 생각해보자. 원자들 사이의 각도가 너무 뒤틀리면 안정한 화합물을 만들지 못한다.
비타민 C의 분자량
비타민 C의 실험식이 C3H4O3이라면 실제 비타민 C의 분자식은 이 실험식의 정수배가 될 것이다. 따라서 분자량을 알면 비타민 C가 C3H4O3인지 C6H8O6인지 C9H12O9인지 아니면 그 이상의 배수인지를 구별할 수 있을 것이다.
상온에서 기체인 화합물에 대해서는 아보가드로의 원리를 이용해서 분자량을 잴 수 있지만 100년 전 만해도 상온에서 액체나 고체인 화합물의 분자량을 결정하는 것은 아주 어려운 일이었는데, 다행히 어는점 내림(freezing point depression)이라는 현상이 있어서 분자량을 결정할 수 있었다.
물은 섭씨 0도에서 얼고 녹는다. 그런데 기온이 0도 이하인 추운 겨울날 길에 염화칼슘을 뿌리면 얼음이 녹는 것을 보아 알 수 있듯이 용액의 어는점은 순수한 물의 어는점보다 낮다. 그런데 이 어는점 내림의 정도는 일정한 양의 물에 설탕이나 염소 이온이나 칼슘 이온이나 간에 몇 개의 입자가 녹아 있는지에 달려있다 (colligative property). 즉, C3H4O3이라는 화합물이 있다고 할 때 이 화합물 8.8 g이 물 1 kg에 녹아있는 용액은 영하 0.19도에서 언다. 즉 어는점 내림은 0.19이다. 그런데 C3H4O3에 비해 분자량이 두 배인 C6H8O6라는 화합물 17.6 g(8.8 g의 두 배)이 물 1 kg에 녹아있는 용액의 어는점 내림도 같은 0.19이다. 이런 원리를 이용하면 일정한 용액에 녹아있는 물질의 무게와 어는점 내림으로부터 분자량을 측정할 수 있게 된다.
물의 경우에는 물 1 kg에 어떤 화합물이 1 그램 분자량 녹아있으면 어는점이 1.86도 내려간다. 즉, 물의 어는점 내림 상수(Kf)는 1.86이다.
어는점 내림 이외에도 증기압 내림, 끓는점 오름, 삼투압을 이용해서도 분자량을 결정할 수 있다. 이런 방법들은 19세기 말, 20세기 초반에는 아주 중요한 분자량 결정 방법이었다.
관련 자료
Principles of Modern Chemistry, 4th Ed. , Oxtoby & Nachtrieb.
6.4 Collogative Properties of solutions, Freezing-point depression.
* Ref.
표준 일반화학실험(제5개정판) 대한화학회
텍스트 화학 II 디딤돌 김영순, 심국석, 김대수 저

키워드

비타민,   적정,   산,   염기,   주스,   dye