기기분석 14장 자외선 가시선 분자흡수 분광법의 응용

 

14장

자외선 가시선 분자흡수 분광법의 응용

 

14A 몰 흡광계수의 크기

 

어떤 봉우리에 대한 몰 흡광계수의 크기는 그 화학종의 포획면적과 에너지 흡수 전이가 일어날 확률에 의존

 

14B 흡수 화학종

1) 전자적으로 들뜨게 되는 과정

2) 이완과정에 의해 소멸

i. 이 때 열을 내어 놓는다. 그러나 용매의 온도가 올라갈 정도는 아니다.

ii. 들뜬 분자가 분해되어 새로운 화학종이 생김- 광화학 반응

iii. 형광 또는 인광을 다시 방출하면서 이완

자외선, 가시광선 흡수하면 결합전자 들뜸

흡수 픽의 파장은 화학종에 존재하는 결합형태와 관련

따라서 분자내의 작용기를 확인(정성분석)

또한 흡수 분광법을 흡광 작용기 포함하는 화합물의 정량분석에 이용 가능

분자에 의한 자외선, 가시광선 흡수는 1개 이상의 전자 흡수 띠로 일어남

그 각각은 여러 개가 밀접하게 가까이 있지만 구분되어 있다.

 

각 선은 바닥상태로부터 각각의 들뜬 전자에너지 상태와 결합된 많은 수의 진동, 회전에너지 상태 중에서 한 개로 일어나는 전자전이로부터 생긴다

 

진동, 회전 상태가 매우 많고 그 에너지가 매우 적어서 많은 수의 밀접한 선들이 띠를 이룬다.

기체 상태는 픽이 진동, 회전 다 보임

헥세인 용액에서 회전에 관한거 사라짐, 진동은 남아있다.

수용액에서는 하나의 브로드한 픽만 나옴, 테트라진 분자와 물 분자 사이에서 빈번한 충돌과 상호작용으로 인해 많은 진동을 불규칙하게 된다.. freedom이 없으므로 회전 관한 텀 사라짐

 

14B – 1 유기화합물에 의한 흡수

모든 유기화합물은 높은 에너지 준위로 들뜰 수 있는 원자가 전자 포함하므로 빛 흡수

1) 진공 자외선 영역

단일 결합을 형성하는 전자와 연관된 들뜸 에너지는 진공 자외선 영역에서 흡수가 일어나기 충분히 높다. 대기 성분도 흡수

실험적 어려움

 

2) 자외선-가시선 영역

발색단: 자외선 가시광선 영역 흡수하는 분자

발색단 포함하는 유기분자 스펙트럼 복잡

전자 전이에 진동 전이가 겹쳐서 겹친 선들의 뒤얽힘 그 결과 넓은 띠의 흡수

유기분자는 픽이 샤프하게 나오지 않고 브로드하게 나온다.

 

14B – 2 무기 화학종에 의한 흡수

무기음이온들은 비결합전자 들뜸으로 자외선 흡수

첫번째 두번째 전이 금속 계열의 원소

착물들은 적어도 1개의 산화상태에서 가시광선의 넓은 띠 흡수 그 결과 색 나타냄

금속이온에 결합된 리간드에 의존하는 에너지를 가지는 채워진 것과 채워지지 않은 d오비탈간의 전이 포함

D오비탈 에너지 차이는 주기율표 상에서의 위치, 산화상태 및 결합되어 있는 리간드의 성질에 의존

란탄, 악티늄 계열이 이온에 의한 흡수

4f, 5f

커다란 주 양자수를 가지는 궤도함수를 채우는 전자들에 의하여 외부영향으로부터 차단 -> 띠 좁아지고 결합된 화학종에 의해 영향을 잘 받진 않음

 

14B – 3 전하-이동 흡수

몰 흡광계수가 매우 크다 -> 큰 감도

전하 – 이동 착물

전자 받개와 거기에 결합된 전자 주개로 구성

빛 흡수할 때 전자 주개로부터 받개에 연관된 오비탈로 전자 이동

들뜬 상태는 내부 산화-환원 과정의 한가지 종류인 생성물이 된다.

이런 행동은 들뜬 전자가 2개 이상의 원자에 의해 공유하는 분자 궤도함수에 존재하는 유기 발색단과 다름

잘 알려진 전하 이동 착물

금속 CT : 철의 1,10-phenanthroline 착물, 분자 요오드의 요오드화 착물, 티오시안산-철(3가)착물의 붉은색

유기 CT : quinhydrone, iodine complexes with amine, aromaics, sulfides

 

 

14C UV-Vis흡수 분광법의 정성분석

14C - 1 용매

1) 용질이 흡수하는 스펙트럼 영역에서 투명해야 함

2) 샘플의 충분한 양 녹여야 함

3) 흡수 화학 종과 용매의 상호작용 고려

i. 극성용매: 진동효과로부터 오는 스펙트럼의 상세구조 없앰

ii. 비극성용매: 기체상 스펙트럼과 비슷

4) 최대 흡수 위치는 용매의 성질에 의해 용매 영향 받음- 확인 목적으로 흡수 스펙트럼 비교할 때 동일한 용매 사용

Cutoff wavelengths: 용매의 순도에 크게 의존

가시광선 영역에선 무색의 용매 사용

 

14C – 2 슬릿나비 효과

최소의 슬릿나비

 

14C – 3 작용기 검출

유기 물질의 확실하게 확인보다는 발색단으로 작용하는 작용기 존재 검출 가능

1) 카보닐기의 존재

단파장 또는 청색이동

2) 방향족 고리의 존재

진동의 상세구조

3) 방향족 아민 또는 페놀 구조 존재

pH 영향

 

- 방향족 탄수화물

파이(채워진 이중결합) -> 파이별(비워진 이중결합)

- 조색단

작용기가

1) 자외선 영역에서 그 자신은 흡수하지 않고

2) 발색단 봉우리를 장파장으로 이동시키고 (장파장 or 붉은색 이동 red shift)

3) 동시에 세기 증가시킴

조색단 효과

-OH와 –NH2는 벤젠 발색단 특히 B띠에 조색단효과

조색단 치환은 고리의 파이전자와 작용가능한 한 쌍의 n전자 가진다.

이런 상호작용은 파이별 상태를 안정화시키는, 즉 에너지 낮추는, 파장은 증가 효과

페놀음이온은 비공유 전자쌍 가져서 페놀보다 페놀음이온(파장 더 커짐)에 조색단 효과가 더 우세

아닐린에서는 비결합 전자가 아닐린 양이온(파장 더 작아짐) 형성에 의해 없어지고 조색단 효과 사라짐

 

SMALL

 

14D 흡광도 측정에 의한 정량 분석

1) 넓은 응용성

2) 높은 감도

3) 높은 선택성

4) 좋은 정확도

5) 쉽고 편리

 

14D – 1 범위

- 흡광화학종에 대한 응용

1) 유색 발색단 작용기 중 하나 이상 포함 유기화합물의 분광광도법 정량

2) 무기화학종 예) 전이금속

3) 나이트리트, 나이트레이트, 크로메이트 이온

오스뭄, 루테늄 테트록사이드

분자 아이오딘

오존

- 흡광하지 않은 화학종에 대한 응용

발색시약은 전이금속 이온과 같은 흡수화학종의 정량에 자주 이용

생성물의 몰흡광계수는 이것과 결합하지 않은 화학종보다 10의 수 제곱승 더 크다.

착화제들이 무기화학종 정량에 이용

1) 철, 코발트, 몰리브덴에 대한 티오시안산

2) 티탄, 바나듐, 크롬에 대한 과산화수소의 음이온

3) 비스무트, 팔라듐, 델루르에 대한 아이오다이드 이온

양이온과 안정한 색깔을 띤 착물을 만드는 유기 착화제

 

14D – 2 상세한 조작 과정

농도와 흡광도 사이의 재현성 있는 (선형의) 관계

- 파장선택

최대 흡수 파장에서 흡광도 측정하여 최고 감도

1) 단위 농도당 흡광도 변화가 최대가 되기 떄문

2) 흡광도는 최대 흡수에서 파장에 대해 일정해서 Beer법칙을 잘 따른다

3) 기기의 파장 설치를 재현성 있고 정밀하게 하는 것의 실패로 생기는 작은 불확실성은 최대흡수에서 영향을 아주 적게 준다.

 

- 흡광도에 영향을 주는 변수

1) 용매 성질

2) 용액 pH

3) 온도

4) 전해질 농도

5) 간섭물질의 존재

또한 샘플 여러 개 측정시 위 조건들을 같게

다음번에 또다시 실험할 때 이번에 실험하 swhrjsemf과 같게

기기에 대한 조건도 같게 ex) slit width

 

- 셀의 세척과 취급법

좋은 품질의 짝 맞춘 한 쌍의 셀 사용

셀은 긁힘, 부식, 닳음 등으로 생길 수 있는 차이를 검출하기 위하여 정기적으로 서로에 대해 검정

측정하기 전 셀 표면을 분광용 급 메탄올 적신 렌즈 종이로 깨끗이

닦은 후, 셀 방치하면 메탄올 증발, 용기표면 깨끗해짐

이게 마른 렌즈 종이로 닦아서 실 보푸라기, 필름 남기는 것보다 좋다.

 

- 흡광도와 농도 사이의 관계 측정

문헌에 있는 값 그대로 사용하면 안됨

이상적으로 검정 표준물은 분석물 농도뿐 아니라 시료에 있는 다른 화학종의 농도도 분석하려는 시료의 조성과 거의 같아야 함

금속 이온의 여러 색깔을 띤 착물들은 황산 또는 인산 이온이 금속 이온들과 무색착물을 형성하려고 해서 흡광도 감소

황산, 인산 이온이 매트릭스 영향은 시료에 있는 2가지 화학종의 양과 거의 같은 양을 표준 용액에 넣어주면 상쇄 가능

토양, 광물, 조직 등 복잡한 물질 분석할 때 시료와 비슷한 매트릭스 표준물 만들기 어려우므로 표준물 첨가방법 이용

 

- 표준물 첨가법

1) Single-point 방법

2) Multiple-additions 방법

 

- 흡수물질의 혼합물의 분석

전체 흡광도는 시료 용액 중에 있는 각 성분의 흡광도의 합

1) Beer 법칙이 두 파장에서 적용되고

2) 2개의 성분이 서로 독립적으로 행동

몰 흡광계수가 큰 파장 선택

 

14D – 3 미분 및 이중-파장 분광광도법

1) 보통의 스펙트럼에서 보이지 않았던 상세 구조 나타남

2) 방해물질, 더 많은 분석물이 있을 떄 분석물이 농도 쉽게 측정

- 단점

1) 신호대 잡음비 손실

2) 비싸다

- 응용

정성확인

겹친 스펙트럼 갖는 화합물 식별 (= Feature enhancement)

광산란이 있는 흐린용액의 스펙트럼 분석에 유용

Bovine or 달걀 알부민 같은 단백질 합성 스펙트럼은 커다란 단백질 분자가 빛을 산란시켜서 peak이 broad한데 2번 미분했을 때 peak이 더 잘 구분

 

 

14E 광도법 및 분광광도법 적정

14E -1 적정곡선

흡수 시스템은 beer법칙따라야 함

흡광도는 측정한 흡광도에 (적정용액 원래 부피+적가액 부피) / (적정용액 원래 부피)

 

14E -2 기기장치

광원 세기와 검출기 감응은 일정하게 유지

밴드 너비 좁게

 

14E -3 광도법 적정의 응용

1) 종말점 색변화로 측정하는 direct photometric determination보다 더 정확

2) 흡수하는 다른 화학종이 존재해도 적정에서는 단지 흡광도 변화만 측정하므로 방해되지 않음

3) 흡광도가 점차 변하는 당량점으로부터 멀리 떨어진 위치에서 흡광도 측정하기 때문

4) 묽은 용액도 광도법 이용해 적정

평형 상수가 크지 않은 반응도 적정

Vs

당량점 부근에서 얻은 측정값 적정법 (전위차법 적정 or 지시약 종말점법 적정)

 

광도법 종말점

1) 산화/환원제는 특성적인 흡수 스펙트럼 -> 광도법으로 검출 가능한 종말점

2) 산염기 지시약이 가해질 수 있다. 표준 산 염기가 흡광하지 않더라도

3) 광도법 종말점이 EDTA, 다른 착화제로의 적정에서 큰 장점

4) Precipitation titrations 침전법: 탁도법 적정에서 부유고체생성물은 침전입자로부터 산란에 의해 빛 세기 감소시킴, 침전 형성 중지된고 검출기 도달 광량이 일정할 떄 종말점 관찰

 

 

14F 반응속도론을 위한 분광광도법

반응속도론적 방법에서 반응물과 생성물의 농도가 시간의 함수로 변하고 있는 동적인 조건에서 측정

반대로, 흡광생성물을 형성하기 위해 착화제 사용하는 적정이나 과정은 평형이나 적정상태에 있는 시스템에서 수행되므로 농도는 정적이다

 

14F – 1 반응의 종류

매우 낮은 농도에서 최초 반응속도가 기질물질 농도에 비례

매우 높은 농도에서 반응속도는 효소 농도에 비례

 

14F – 2 기기

광원 -> 단색화장치 -> 혼합기 -> 광검출기

 

14F – 3 반응속도론적 방법 종류

미분법: 반응속도 계산, 그것을 분석물 농도에 관련, 속도는 시간에 대한 흡광도 곡선의 기울기로부터 결정

적분법: 적분형의 속도 반응식 사용, 다양한 시간 간격에서 일어나는 흡광도 변화로부터 농도 정량

곡선 접합시키는 방법: 시간에 대한 흡광도 곡선에 수학적 모델 접합시켜 분석물 농도가 포함되는 모델의 파라미터 계산, 평형이나 정지상태의 감응 값 계산

 

 

14G 착이온의 분광광도법 연구

몇 대 몇으로 반응하는가 착이온 조성 결정

평형상수 구하기 위해 사용

 

14G – 1 연속 변화법

리간드와 금속 조성 바꾸며 흡광도 변화 확인, 최대흡광은 착물에서 양이온과 리간드의 결합 비에 해당하는 부피비에서 일어남

Job plot

연속적인 변화 방법, a binding event의 화학양론을 결정

용매안의 평형 착물에 대한 정보

 

14G – 2 mole-ratio 방법

1:2 complex 이 1:1 complex 보다 더 안정하다.

곡선이 외삽된 선에 더 가까울수록, 직선일수록 착물 형성상수는 더 커진다. 좀 더 강한 결합

직선에서 더 멀어질수록 착물 형성상수는 더 작아진다.

 

14G – 3 기울기 방법

형성상수가 작은 경우, 약한 착물에 유용하지만 단일 착물을 형성하는 시스템에만 적용 가능

가정

1) 착물 형성반응이 어느 반응물의 과량에 이하여 촉진

2) beer법칙 적용

3) 착물이 실험에서 선택된 파장만 흡수한다고 가정

xM + yL ↔ MxLy