실험 개요
분광광도법은 시료가 빛을 흡수하는 정도(흡광도)와 농도가 비례한다는 Beer–Lambert 법칙을 이용한 정량분석 기법이다. 실험에서는 보통 KMnO₄ 또는 [Fe(SCN)]²⁺ 착물처럼 가시광 영역에 흡수띠를 갖는 화합물을 사용해 농도가 다른 표준액으로 검량선을 그리고, 미지 시료의 흡광도를 대입해 농도를 결정한다. 예비보고서에서는 흡광도와 투과도의 관계, Beer 법칙의 한계, 단색광(λmax) 선택의 이유를 정리한다.
이론 배경
Beer–Lambert 법칙
A = log(I₀/I) = ε b c. A는 흡광도, ε는 몰 흡광계수(L mol⁻¹ cm⁻¹), b는 광로 길이(보통 1 cm), c는 농도(mol/L). 투과도 T = I/I₀이고 A = –log T 관계.
λmax 선택
흡수 스펙트럼의 최대 흡광도 파장에서 측정해야 (1) 감도가 최대이고 (2) 작은 파장 변동에 대한 흡광도 변화가 최소화된다. KMnO₄는 약 525 nm, [Fe(SCN)]²⁺는 약 450 nm.
Beer 법칙의 한계
고농도(보통 A > 1.5)에서는 분자간 상호작용으로 직선성이 깨진다. 또한 산란, 형광, 단색성 부족, 화학 평형 변동 등이 양의/음의 편차를 만든다. 적정 측정 범위는 A = 0.1~1.0이다.
실험 장치 및 시약
- — UV–Vis 분광광도계
- — 광로 1 cm 큐벳(쿼츠 또는 유리)
- — 표준 시약, 메스플라스크, 피펫
실험 절차
- 1.표준 모액(예: 1.0 × 10⁻³ M KMnO₄)을 정확히 만든다.
- 2.이 모액을 희석해 5단계 농도(1, 2, 4, 6, 8 × 10⁻⁴ M)를 준비한다.
- 3.분광광도계를 영점(blank: 증류수)으로 보정한다.
- 4.각 표준액의 흡광 스펙트럼을 400~600 nm 범위에서 기록해 λmax를 확인한다.
- 5.λmax에서 흡광도를 측정해 검량선을 작성한다.
- 6.미지 시료의 흡광도를 측정하고 검량선에 대입해 농도를 산출한다.
데이터 처리
A vs c 그래프를 그려 직선 회귀하고, 기울기에서 ε을 구한다. R² ≥ 0.999가 일반적인 합격 기준. 미지시료의 A를 회귀식 y = εb·x + b₀에 대입해 농도를 역산하고, 측정 불확도는 검량선의 잔차에서 추정한다.
예비보고서 항목별 작성 팁
이론
Beer–Lambert 식의 유도(흡광 단면적과 광경로) 또는 적어도 식 자체와 변수 정의를 명확히 적는다.
예상 흡수 스펙트럼
사용 시약의 λmax를 문헌에서 미리 확인해 표로 적어두면 측정 시 비교가 쉽다.
자주 하는 실수
- — 큐벳을 손으로 잡아 광로면에 지문이 남는 것
- — 흡광도 1.5 이상 영역에서 검량선을 외삽하는 것
- — blank를 매번 새로 측정하지 않는 것 (램프 드리프트)
- — λmax가 아닌 임의 파장에서 측정하는 것
자주 묻는 질문
Q. 흡광도가 검량선 범위를 벗어나면 어떻게 하나요?
두 가지 방법이 있습니다. (1) 시료를 정확한 비율로 희석해 측정 후 농도를 역산. (2) 더 짧은 광로 길이의 큐벳(0.1 cm)을 사용. 직선 회귀 영역(보통 A = 0.1~1.0) 안에서 측정하는 것이 가장 정확합니다.
Q. 왜 λmax에서 측정해야 하나요?
λmax에서 ε이 최대라서 같은 농도에서 가장 큰 흡광도가 나오므로 신호 대 잡음비가 좋습니다. 또한 λmax 부근은 흡수 곡선이 평탄해서 분광광도계의 작은 파장 오차가 흡광도 오차로 거의 전이되지 않습니다.
참고 표준·문헌
본 가이드는 다음 표준·교과서·핸드북의 정의·식·표준 절차를 따라 작성되었습니다. 학교 양식과 표준 절차가 다를 경우 학교 양식을 우선합니다.
- [1]Skoog, D.A., West, D.M., Holler, F.J., Crouch, S.R. — Fundamentals of Analytical Chemistry, 9th ed., Cengage, 2013
- [2]Harris, D.C. — Quantitative Chemical Analysis, 10th ed., Freeman, 2020