[물리 화학 실험] 탁도 측정에 의한 입자 크기 예비 보고서

탁도 측정에 의한 입자 크기

황정현, 박기훈, 전국진, 유상일

금오공과대학교 고분자전공 물리화학실험 야간 2조

 

 

실험목적

 탁도 측정으로 입자의 크기를 알아보자.

- UV-Visible Spectrophotometer를 이용하여 탁도를 측정.

-밀도를 계산하여 부피분율을 알아보자.

-부피분율을 이용하여 specific turbidity를 알아보자.

- 입자의 직경 D를 알아보자

이론적 배경

1.    탁도(turbidity) τ 와 흡광도 A

탁도(turbidity) τ와 흡광도 A의 정의는 다음과 같다.

여기서 I_o는 입사광의 세기, I_t는 투과광의 세기, l은 cell에서의 beam의 path length(cm)이다. 탁도 τ는 단위 광학길이(optical path: cm)당 흡광도로 해석가능하다.

특히 specific turbidity는 “농도를 고려한 탁도”, 즉 “양으로 나누어준 탁도”라는 의미로써 농도는 양을 측정하고자 하는 대상에 따라 달라질 수 있다. 여기서 입자의 크기를 구하는 식에서는 탁도를 입자의 부피분율로 나누어 준 값인 이 주로 사용되며, 특히 단분산(monodisperse)의 구형(sphere) 입자에서는 그  복잡한 이론적 관계식이 아래와 같이 비교적 단순하게 표현될 수 있다.

위의 식에서  D는 입자의 지름을 뜻하며 K는 산란효과를 보여주는 항으로 입자의 지름과 용액내의 파장과의 비(=D/λ_m), 입자의 굴절율과 용매의 굴절율과의 비 값 m(즉 m=n_p/n_m)에 의해 결정되는 값이다. 여기서 λ_m은 진공에서의 파장  λ_o을 용매의 굴절율 n_m로 나누어 준  λ_o/n_m으로 얻어진다. 특별히 지름과 파장과의 비에 원주율을 곱하여준 a 파라미터를 많이 사용되는데 즉  a=πD/λ_m 로 정의된다.

 

특히 a≪1와  m⋅a≪1이 성립되는 조건하에서는  K는 다음과 같이 더욱 더 단순화 할 수 있다.

따라서 specific turbidity는 최종적으로 아래와 같다.

 

 

4. UV-Visible Spectrophotometer

기구 및 시약

기구	시약
큐벳 cell(1cm*1cm) spectrophotometer	polystyrene latex: PS Latex

     큐벳 sell            spectrophotometer

실험방법

폴리스틸렌 라텍스(polystyrene latex: PS Latex)로 직경 100nm, 직경 200nm, 직경 300nm의 3종류를 준비한다. PS latex 용액(보통 많은 경우 1wt%의 수용액으로 판매)의 기본 물성은 직경에 무관하게 밀도 ρ=1.05g/cm3, 굴절율(@589nm) 즉 np=1.59로 주어진다. 참고로 물의 굴절율은 nm=1.333으로 계산한다.

 

일반적으로 latex 수용액을 100배 묽혀 0.01wt%인 용액을 만든 뒤

파장 900nm에서 600nm 까지는 50nm 마다, 600nm에서 300nm까지는 100nm 마다 흡광도를 측정한다.

 

1. 농도 0.01wt%를 latex의 밀도를 이용하여 부피푼율로 환산하여라.

 

2. 실험으로 얻어진 흡광도 A를 탁도 τ로 바꾼 후 (i)에서 구한 부피푼율 Φ을 이용하여 최종적으로 specific turbidity 로 환산하여라.

 

3. 각 파장에서 구한 값을 X축을 1/λo4 로 Y축을 로 하여 plot 하여라. 원점을 지나는 직선이 될 것으로 예측되나 곡선으로 나오면 그이유가 무엇인지 토의하여라.

 

4. 초기 직선 부분만의 기울기로부터 입자의 직경 D를 계산하여 보고, latex 메이커에서 제공한 값과 비교 검토하여라.

Reperence

ㆍ Skoog외 2인,  Fundamental of analytical chemistry 제 7판, 자유아카데미, 2000년

ㆍ Daniel C. Harris, Quantitative chemical analysis, 자유아카데미, 1994년

ㆍ 이화학사전 제5판, 대광서림, 2001년 4월 30일

ㆍ Rubinson외 1인, Contemporary instrumental analysis, 녹문당, 2002년

ㆍ 두산세계대백과(네이버검색)

ㆍ 머크사 홈페이지 - http://pb.merck.de