Atomic Absorption Spectrophotometry를 이용한 칼슘의 정량

By: 김은기, 이요나

목록 1. 목적

2. 이론

AAS의 원리

AAS의 기기장치

광원

불꽃 원자화기

분광 간섭

3. 기구/시약

목록

4. 실험과정

5. 결과 분석

6. 생각해볼 사항

7. 오차의 원인

8. 참고 자료

1. 목적

Ca의 흡광도에 대한 기기적 변수와 방해 효과에 대해 알아본다

합성 미지시료 중 Ca를 표준물질의 흡광도와 비교하여 정량한다

2. 이론: AAS의 원리

시료 용액을 불꽃에 분무하여 원자화 시킨다

바닥 상태의 원자는 빛을 흡수한다

빛의 파장은 원자가 흡수하는 파장과 같다.

2. 이론: AAS의 원리

Beer Lambert Law – 흡광도는 시료 안의

원자들의 수에 비례한다.

I0 = 입사 흡광의 세기 It = 통과 후 광의 세기 a = 흡광 계수 b = 흡광통로의 길이 c = 흡광 원자의 농도

It = I0-(abc) Log(I0/It)= abc = (흡광도)

2. 이론: AAS의 기기장치

광원 (hollow Ca cathode lamp), 시료, 불꽃, 단색화 장치 (monochromator), 검출기

2. 이론: 광원 원자마다 흡수선은 폭이 좁기 때문에 특수한(고유의) 장치

가 필요

Hollow cathode lamp 안에 불활성 기체를 (noble gas) 채워 전압을 걸어준다 (radiation source)

2. 이론: 불꽃 원자화기 1. 용액을 균일한 작은 방울로 분무 (Nebulization)

2. 불꽃으로 용매 증발

3. 중성원자를 만든다

2. 이론: 불꽃 원자화기

사전 혼합식 (Premix)방울을 분무하여 연료 및 보조 기체와 혼합시켜 버너로 보낸다.

장점: 안정한 불꽃, 폭넓은 불꽃, 감도와 재현성이 좋다.

단점: 주입속도 느림, 선택적 증발 가능성.

2. 이론: 분광 간섭 다른 비슷한 흡수선을 가지고 있는 원자가 존재하여 분광을

흡수함

흡수 폭이 넓은 작은 고체 입자가 불꽃에서 빛을 분산시킨다

이로 인한 흡수가 측정 원자의 흡수와 겹칠 때 background absorption이 일어난다

계산할 때 background absorption갑을 빼준다.

2. 이론: 이온화 간섭

한 원소의 이온화가 다른 원소의 이온화를 방해한다

한 원소의 이온화는 자유 전자농도를 증가시켜 측정 원소의 이온화를 억제한다.

이온화가 억제 되면서 측정 원소는 원자형태로 남게 된다. (측정 농도 증가)

알칼리 금속 등이 고온 불꽃에서 잘 이온화된다

2. 이론: 내열성 화합물의 형성

H3PO4는 Ca와 반응하여 Ca2P2O7 (내열성 화합물)를 형성

Ca의 측정 농도는 감소하게 된다

이를 제거 하기 위해서 염화스트론튬이나 질산 란탄을 첨가한다.

인산은 Ca 보다 란탄이나 스트론튬과 더 잘 반응한다. (Ca2P2O7 형성 방해)

2. 이론: 물리적 간섭

버너 속으로 들어가는 속도, 원자화 효울, 지체의 유속 변화, 용매의 조성, 등

이러한 방해는 검량을 자주함으로써 해결할 수 있다

2. 이론: 유기 용매 사용

유기용매를 첨가하여 원자화 효율을 증가시킨다.

더 미세한 방울 형성, 더 효율적인 증발과 연소

장점: 감도를 3배 이상 증가시킬 수 있다

단점: 용매를 가하면 시료가 희석되기 때문에 실질적인 증가는 없다

2. 이론: 표준물 첨가 법

표준 물질의 농도를 0 에서부터 매트릭스 시료를 첨가

농도를 단계적으로 변화시켜 흡광도를 측정, 표준곡선으로 부터 매트릭스 시료의 농도를 구한다.

매트릭스의 농도

3. 기구

1000 μL auto pipet

200 μL auto pipet

15mL 실험관 18개

3. 시료

3. 시료 MSDS Ca – 40.08 g/mol; mp: 842 °C; bp: 1484 °C

SrCl2 (hexahydrate) – 266.62g/mol; mp: 61 °C; 1250 °C

NaCl – 58.44 g/mol; mp: 801 °C; bp: 1413 °C

H3PO4 – 98.00 g/mol; mp: 42.35 °C; bp: 158 °C

Al – 26.98 g/mol; mp: 660 °C; bp: 2470 °C

Ethanol – 46.07 g/mol; mp: -117 °C; bp: 78 °C

실험1 방해실험 (인산이온, 나트륨, 스트론튬, 알루미늄의 영향 측정)

4. 실험과정

총 부피 10mL 가 되도록 농도 계산을 한 후 용액을 만든다.

실험2 유기용매(Ethanol)의 영향

유기용매는 원자화 효율을 증가시킨다. 원인: 분무속도 증가, 미세한 방울 형성, 효율적인 증발과 연소

총 부피 10mL 가 되도록 농도 계산을 한 후 용액을 만든다.

5ppm Ca 용액의 흡광도와 비교하여 차이를 설명한다.

5ppm Ca 용액의 흡광도와 비교하여 차이를 설명한다.

나트륨, 스트론튬, 알루미늄: 이온화 간섭에 의하여 흡광도 증가 인산이온+스트론튬: 내열성 화합물 형성 억제 → 흡광도 증가 인산이온: 내열성 화합물 형성으로 인한 Ca 원자 농도 감소 → 흡광도 감소

5ppm Ca 50ppm Ca 1mL + 물 9mL

5ppm Ca +10ppm 인산이온 50ppm Ca 1mL + 100ppm 인산이온 1mL+물 8mL

5ppm Ca +10ppm인산이온 +1% SrCl2 50ppm Ca 1mL +100ppm 인산이온 1mL +4% SrCl2 2.5mL +물 5.5mL

5ppm Ca +1% SrCl2 50ppm Ca 1mL +4% SrCl2 2.5mL + 물 6.5mL

5ppm Ca +1000ppm Na 50ppm Ca 1mL +2000ppm Na 5mL + 물 4mL

5ppm Ca 10ppm Al 50ppm Ca 1mL + 100ppm Al 1mL +물 8mL

50% 에탄올 +5ppm Ca 50% 에탄올 9mL +50ppm Ca 1mL

총 부피 10mL 가 되도록 농도 계산

5ppm Ca 5ppm Ca +10ppm 인산이온

5ppm Ca +10ppm인산이온

+1% SrCl2

5ppm Ca +1% SrCl2

5ppm Ca +1000pp

m Na

5ppm Ca 10ppm Al

50% 에탄올 +5ppm

Ca

1차

2차

3차

AVE.

SD.

내열성 화합물의 형성 억제

내열성 화합물 형성

나트륨 알루미늄

유기용매

스트론튬

실험3 미지시료 중의 Ca의 정량

①미지시료를 조교에게 받아서 사용한다 ②50ppm 표준용액을 묽혀서 0, 2.5, 5.0, 7.5, 10, 15ppm Ca 표준용액을 만든다. ③각 용액의 흡광도를 측정하여 검량선을 작성하여 미지시료의 농도를 구한다.

→ 이때 0ppm의 값을 0으로 하여 검량선을 그린다.

0ppm 2.5ppm 5.0ppm 7.5ppm 10ppm 15ppm 미지시료

1차

2차

3차

Ave.

SD.

실험4. 표준물 첨가법

①미지시료는 실험3에서 이용한 것과 동일한 것을 사용한다. ②Ca이 5ppm이 되도록 증류수로 미지 시료를 묽혀 피펫을 사용하여 10.0mL

씩 세 개의 시험관에 넣는다. ③500ppm Ca 표준용액 50.0, 100.0, 150.0 μL 를 각각 가한다.(실제 조교님께서

만들어주신 용액은 250ppm이었다.) ④증류수로 영점을 맞춘 후 묽힌 미지시료 포함하여 4개의 흡광도를 측정한다. ⑤첨가된 Ca농도에 따른 흡광도 변화를 그래프로 나타낸다.

1.25ppm 2.5ppm 3.75ppm 미지시료

1차

2차

3차

Ave.

SD.

AAS 기기 사용 방법 및 조작 순서

1. 공기 밸브 ON

2. Fan(환풍기) ON

3. Acetylene-valve ON

4. Instrument power ON

I: ON O: OFF

5. Computer power ON

6. Open the software: WinLAb32 for AA

7. Initialization

8. Click “File” → “Open” → “Workspace”

9. Flame ON

10. Flow DIW → Sample Analysis

11. Flame off

12. Acetylene-valve, air-valve and fan off

13. “Breed gasses”

14. Date printing & computer off

5. 실험 결과

5ppm Ca 5ppm Ca +10ppm 인산이온

5ppm Ca +10ppm인산이온

+1% SrCl2

5ppm Ca +1% SrCl2

5ppm Ca +1000pp

m Na

5ppm Ca 10ppm Al

50% 에탄올 +5ppm

Ca

1차 0.218 0.179 0.485 0.432 0.247 0.112 0.240

2차 0.219 0.180 0.445 0.413 0.251 0.111 0.234

3차 0.217 0.179 0.424 0.406 0.252 0.112 0.232

AVE. 0.218 0.179 0.451 0.417 0.250 0.111 0.235

SD. 0.0009 0.0005 0.0307 0.0132 0.0012 0.0003 0.0042

실험 1&2

Ca +10ppm 인산 : 인산과 Ca가 결합하여 내열성을 갖는 화합물 형성 → 불꽃을 가해도 다시 분해되지 않기 때문에 Ca 원자의 농도를 감소시킴.

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

5ppm Ca 5ppm Ca +10ppm 인산이온 5ppm Ca +10ppm인산이온 +1% SrCl2

5ppm Ca +1% SrCl2 5ppm Ca +1000ppm Na 5ppm Ca 10ppm Al 50% 에탄올 +5ppm Ca

Ab

sorb

ance

.

시료

실험 1&2

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

5ppm Ca 5ppm Ca +10ppm 인산이온 5ppm Ca +10ppm인산이온 +1% SrCl2

5ppm Ca +1% SrCl2 5ppm Ca +1000ppm Na 5ppm Ca 10ppm Al 50% 에탄올 +5ppm Ca

Ab

sorb

ance

.

시료

실험 1&2

인산에 Sr을 추가: Sr는 Ca보다 인산 이온에 대한 결합력이 높으므로 Ca보다 먼저 인산과 결합하며 인산을 무력화시켜 Ca원자의 농도를 증가시킴

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

5ppm Ca 5ppm Ca +10ppm 인산이온 5ppm Ca +10ppm인산이온 +1% SrCl2

5ppm Ca +1% SrCl2 5ppm Ca +1000ppm Na 5ppm Ca 10ppm Al 50% 에탄올 +5ppm Ca

Ab

sorb

ance

.

시료

실험 1&2

Sr만 넣어준다면 → Sr 이온화 경향이 커서 Ca보다 먼저 이온화되어 자유전자의 농도가 높아지고 이는 Ca 이온의 농도fmf 낮추고 Ca 원자의 농도 증가시킴

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

5ppm Ca 5ppm Ca +10ppm 인산이온 5ppm Ca +10ppm인산이온 +1% SrCl2

5ppm Ca +1% SrCl2 5ppm Ca +1000ppm Na 5ppm Ca 10ppm Al 50% 에탄올 +5ppm Ca

Ab

sorb

ance

.

시료

실험 1&2

Ca +1000pm Na : Na은 알칼리 금속으로서 이온화 경향이 커서 Ca보다 먼저 이온화되어 자유전자의 농도가 높아지고 이는 Ca 이온의 농도를 낮추고 Ca 원자의 농도를 증가시킴

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

5ppm Ca 5ppm Ca +10ppm 인산이온 5ppm Ca +10ppm인산이온 +1% SrCl2

5ppm Ca +1% SrCl2 5ppm Ca +1000ppm Na 5ppm Ca 10ppm Al 50% 에탄올 +5ppm Ca

Ab

sorb

ance

.

시료

실험 1&2

Ca +10ppm Al : calcium aluminate이라는 물질로 반응하고 (인산과 비슷한 작용) Al은 charge 더 높아 물에서 이온화가 더 잘되기 때문에 Ca원자의 농도를 감소시킴

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

5ppm Ca 5ppm Ca +10ppm 인산이온 5ppm Ca +10ppm인산이온 +1% SrCl2

5ppm Ca +1% SrCl2 5ppm Ca +1000ppm Na 5ppm Ca 10ppm Al 50% 에탄올 +5ppm Ca

Ab

sorb

ance

.

시료

실험 1&2

유기용매 사용: 분무 효율을 증가시키고 작은 에어로졸 상태를 만들어 효율을 높여 감도를 증가시킴.

0ppm 2.5ppm 5.0ppm 7.5ppm 10ppm 15ppm 미지시료

1차 0 0.091 0.156 0.215 0.266 0.376 0.207

2차 0 0.091 0.157 0.215 0.264 0.374 0.208

3차 0 0.090 0.155 0.213 0.261 0.373 0.209

Ave. 0 0.091 0.156 0.214 0.264 0.374 0.208

SD. 0.0001 0.0004 0.0007 0.0014 0.0022 0.0016 0.0009

실험 3 0.208=0.0242X+0.0215 X = 7.70ppm 오차율: 10.0%

y = 0.0242x + 0.0215

R² = 0.989

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0 5 10 15 20A

bso

rba

nce

Calcium concentration, ppm

실험 4

1.25ppm 2.5ppm 3.75ppm 미지시료

1차 0.351 0.403 0.445 0.292

2차 0.350 0.402 0.445 0.293

3차 0.351 0.401 0.440 0.294

Ave. 0.351 0.402 0.444 0.293

SD. 0.0008 0.0010 0.0030 0.0009

0 = 0.0403X + 0.2969 X = -7.37 따라서 7.37ppm이다. 오차율: 5.24%

y = 0.0403x + 0.2969

R² = 0.995

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6

Ab

sorb

an

ce

Calcium concentration, ppm

6. 생각해볼 사항

표준물 첨가법의 (standard addition) 장점과 단점은?

Hollow cathode lamp를 비활성 기체 (noble gas)로 채우는 이유 (왜 측정 원소마다 다른 램프를 사용해야 할까요?)

오차의 원인은 뭐가 있을까요?

7. 오차의 원인

오토 피펫을 사용할 때 피펫 끝을 만지지 않도록 주의한다

오토 피펫으로 시약을 추출할 때 공기 방울이 생기지 않도록 주의한다

측정 시료를 교체할 때 sample capillary tube를 증류수에 충분히 담궈 전 시료가 다음 측정 시료에 영향을 줄여준다.

8. 참고 자료

www.wikipedia.org

연세대학교 이과대학 분석화학실험 교제

www.lab-training.com