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    관리자                                            2011-03-17 20:46:13
   분광기를 이용한 용액의 농도 측정 : Beer’s Law

원리(Principles)

수용액 중의 용질의 농도를 알아 내기 위한 기기 분석 방법 중의 하나로 분광분석법이 널리 사용되고 있다. 분광분석법은 물질이 특정한 파장에 해당하는 전자기 복사선을 얼마나 흡수 혹은 방출하는가를 이용하여 그 물질의 농도를 측정하는 방법이다. 모든 화합물은 저마다의 고유한 전자 구조로 이루어져 있기 때문에 전자기 복사선(특히, 가시광선이나 자외선)을 흡수하는 특성이 다르게 나타난다. 분자는 그것을 이루고 있는 전자들의 에너지 준위 차이와 같은 에너지(hν)를 가지는 빛을 흡수한다. 이러한 성질을 이용하여 물질이 흡수하는 빛의 파장과 그 크기에 의해 그 물질의 종류와 용액 중에 포함된 그 물질의 농도를 알아낼 수 있다.

Lambert-Beer의 법칙(혹은 Beer의 법칙)은 앞에서 말한 것처럼 물질이 특정한 파장에서 빛을 흡수하는 정도(흡광도)와 그 물질의 농도와의 관계를 나타낸 것으로 다음과 같은 수식으로 표현된다.

A = εLc

여기서 A는 흡광도(absorbance)이며 A =-log(I/I0)로 정의된다. I0는 시료를 통과하기 전의 빛의 세기이며 I는 시료를 통과한 후의 빛의 세기이다. L은 빛이 시료가 담긴 용기(cuvette)을 통과한 거리이며 ε는 그 물질의 고유한 양으로서 몰흡광계수(molar absorbity)이며, c는 그 시료의 몰농도(molar concentration)이다. L과 ε를 알고 있을 때 용액의 흡광도(A)를 측정함으로써 용질의 농도를 얻을 수 있다.


실험(Experimental procedure)

케이맥(주)의 분광기인 스펙트라아카데미를 이용하여 수용액 중의 황산니켈(Nickel Sulfate)(II)의 농도를 측정하는 실험의 예는 다음과 같다.
황산니켈(Nickel Sulfate)(II) 용액은 초록색의 용액으로 가시광선 영역에서 고유의 흡광도를 가지고 있다. 적당한 농도의 황산니켈(II) 용액을 이용하여, SpectraAcademy 전체 파장범위에 걸쳐서 흡광도를 측정한다.  측정 대상이 되는 니켈 이온의 농도 변화에 따른 흡광도 변화 가장 민감하게 얻기 위하여, 최대의 흡광도를 보이는 파장을 선택하여 흡광도를 관측한다. 그리고, 표준 용액의 흡광도를 이용하여, 검정 곡선을 계산하면, 미지 용액의 농도를 계산할 있다.
좀 더 자세한 실험방법으로서는 이미 농도를 알고 있는 다양한 농도의 황산니켈(Nickel Sulfate)(II) 수용액을 준비하여 스펙트라아카데미 분광기로 각각의 흡광도를 측정한다. 흡광도 vs 농도 그래프(검정곡선)을 구할 수 있으며 미지의 농도의 황산니켈(Nickel Sulfate)(II) 수용액 샘플의 흡광도를 측정하면 먼저 구한 검정곡선에서 그 샘플의 농도를 구할 수 있다. 스펙트라아카데미의 운용프로그램인 비주얼스펙트라(VisualSpectr Sr.)에서는 농도에 대한 흡광도 검정곡선을 자동으로 계산(fitting)해 주므로 미지 농도의 시료의 흡광도를 측정한 후 입력하면 그 검정곡선에서 농도를 계산해 준다. 



결과(Results)

아래와 같이 농도 변화에 따른 흡광도 곡선을 구할 수 있다.

                             

                                                      [그림 1] 황산니켈의 농도 vs 흡광도 그래프
                                 (케이맥 분광기 스펙트라아카데미 운용프로그램 비주얼스펙트라 화면 캡처)


특정 파장(400nm)에서의 흡광도와 농도 관계 곡선인 검정 곡선을 아래와 같이 구할 수 있다.
   

                           


                                                     [그림 2] 700nm에서 농도 vs 흡광도 검정곡선



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