무게 분석과 연소 분석

무게 분석(Gravimetric analysis)는 적정과 연관된 것으로 이 다음으로 분석 물질이 산 혹은 염기로 작용하는 산 염기 적정으로 될 수 있다

무게 분석은 무게로 몰수를 측정할 수 있으며 화학양론으로 농도와 함량도 알아낼 수 있다

무게 분석의 대표적인 분석법은 Rose-Gottlieb 기법으로 식품 중 지방을 측정하는 분석법이 있다

이는 식품 시료의 무게를 측정 후, 적절한 방법으로 단백질을 녹인다

이후, 암모니아와 에탄올을 첨가하여 지방을 녹여 유기 용매로 추출한다

수용액에는 단백질과 탄수화물이 남으며, 유기용액 층은 102℃에서 건조시켜 식품 중 지방분이 들어 있는 잔류물의 무게를 측정하는 것이다

이 외에도 Cl-를 Ag+로 침전시켜 정량화하는 방법도 있다

대표적인 무게 분석으로 분석 화학종, 침전되는 형태, 무게다는 형태, 이에 대해 방해를 하는 화학종들이 있다

분석 화학종들은 금속 양이온이 대부분이며 음이온은 은화반응을 한다

무게다는 형태로는 삭임(Digestion, 침전물을 가열하면서 일정 시간 동안 모액(Mother liquor, 물질이 결정화되는 용액)에 방치하는 것, 삭임 과정으로 침전의 느린 재결정화를 촉진해 입자의 크기를 증가시키고 불순물 제거가 가능해진다)으로 간단한 질량으로 만들며 방해하는 화학종들은 침전 현상에 방해를 일으켜 비율이 1:1 에서 0.8 반응으로 순수하지 않게 하는 것이 있다

이에 대해서는 가림제(Masking Agent)를 사용한다

가림제는 불순물 화학종이 침전제와 반응하는 것을 방지하게 하는 것이다

침전(Precipitation)에서의 요건은 아래와 같다

무게분석 침전물은 잘 녹지 않고 쉽게 거를 수 있어야하며(침전물 입자가 커야하며, 콜로이드보다 작아야한다) 순수하고 일정한 화학적 조성을 가져야 이상적인 침전물이라고 한다

침전물은 오븐에 말리기 등, 잔류 용매를 제거하기 위하여 열을 가할 때 안정적이어야한다

침전을 하면서 물질들은 결정화를 할 수 있다

결정화는 두 단계로 나뉘어 진다

핵생성과 입자성장이다

핵생성(Nucleation)은 녹아있는 분자 혹은 이온들이 더 크게 자랄 수 있게 작은 결정 집합체를 형성할 수 있는데 혼합액 내부에 이미 들어있는 불순물들로 인해 핵생성을 시작할 수 있다

입자 성장(Particle growth)은 존재하는 집합체에 첨가되어 결정을 형성하기 시작하는 것이다

입자 성장을 촉진시키는 방법은 이와 같다

과포화를 줄이기 위해 온도를 높임으로써 용해도를 증가시킨다

침전제와 분석물질이 혼합될 때, 국소적 부위에서 과포화 조건이 형성될 수 있기 때문에 빠르게 섞으며 천천히 가한다

용액의 부피를 크게 함으로써 분석물질과 침전제의 농도가 낮도록 한다

만약 침전속도가 느려 핵생성보다 입자 성장이 빠르게 진행된다면 크고 순수한 입자가 만들어짐으로 거르기가 더 쉬워짐으로 균일 침전(Homogeneous precipitation)이 된다

만약 침전속도가 빠르다면 핵생성이 입자 성장보다 빠르게 진행됨으로써 입자가 작게 형성되어 거르기 어려워진다

이온성 화합물의 침전 방법으로는 대개 첨가한 전해질(Electrolyte) 존재 하에 침전이 된다

입자 표면이 노출된 염화이온에 붙은 과량의 은이온으로 인해 양전하를 띄게 된다

이렇게 양으로 하전된 표면이 주변의 음이온들을 전기적 인력으로 끌어당기고 양이온들은 반발하며 주위로 음으로 하전된 이온 분위기(Ionic atmosphere)를 형성하게 된다

이 후, 입자들이 정전기적 반발을 이기기 위해 전해질 농도를 증가시켜 운동에너지를 유발해 엉김을 촉진한다

생성물들의 조성은 최종 생성물로 안정한 조성을 가져야 한다

흡습성 물질(Hydroscopic substance)이 공기 중의 수분을 흡수하여 정확하게 무게를 측정하기 어렵게 만들 수 있기 때문에 화학량론적 조건에서 건조시켜야한다

일정 온도에서 건조할 때, 일정한 조성을 갖지 못하는 침전물의 화학적 형태는 강열(Ignition) 조건에서 취득하게 하며 열무게 분석(Thermogravimetric analysis)로 시료를 가열하면서 온도에 따라 질량을 측정하게 된다

연소 분석(combustion analysis)은 O2를 가진 환경에서 탄소화 수소를 가진 유기물을 연소시켜 화합물에 함유되어 있는 탄소와 수소를 정량하는 분석법이다

(이미지 출처 : http://www.kentchemistry.com/aplinks/chapters/3stoich/FG03_05.jpg)

이는 무게 연소 분석에 따라 불완전 연소된 화합물이 CO2, H2O로 완전히 산화되도록 높은 온도에서 백금 그물, CuO, PbO2, MnO2 같은 촉매에 통과시켜 각 관의 질량 증가로 수소와 탄소가 얼마만큼 더 생성되었는지 확인하는 것이다

현재의 연소 분석은 탄소와 수소 뿐 만 아니라, C, H, N, S 원소 분석도 가능해졌으며 값이 싸고 비활성 기체인 헬륨(He)을 캐리어 가스 역할로 기체 크로마토그래피를 사용하여 성분과 질량을 측정한다

이 외에도 산소를 분석하는 방법으로 열분해 과정(Pyrolysis)으로 산소를 첨가하지 않은 상태에서 시료를 연소시켜 분해하며 방출되는 산소를 CO로 변화시킨다

이로써 산성 생성물은 아스카라이트 2(산화 탄소 흡수제)에 흡수시켜 기체 크로마토그래피로 분리해 열전도 검출기로 측정한다

이 외에도 할로젠 분석 방법은 수용액에서 전기화학적 과정으로 Ag+ 이온으로 적정한다