Chapter 0 : The Analytical Process

* 들어가기 전에

이 내용은 Harris의 'Quantitative Chemical Analysis' 8th Edition을 정리한 내용입니다.

내용정리는 다 제가 했으며, 사진자료의 저작권은 모두 Harris에게 있습니다. (출처)

오타나 잘못된 정보가 있으면 피드백 주시면 감사히 받겠습니다.

 

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The Analytical Chemistry Chapter 0 : The Analytical Process

 

l  용어정리

aliquot: portions. 비율을 의미

analyte: Substances being measured. 측정되어질 물질을 의미.

aqueous : 수용액

calibration curve : a function of analyte concentration. 분석 물질의 농도를 함수로 나타낸 것을 의미한다. standard curve 라고도 한다.

composite sample : 합성 샘플? Segregated heterogenous material 에서 반드시 construct 되어지는 물질.

decant : poured off. 가만히 따라내는 것을 의미.

heterogeneous : one whose composition differs from place to place. 불 균일 이라고 하며, 위치에 따라서 다른 조성을 가지고 있는 물질을 의미.

homogeneous : its composition is the same everywhere. 균일 이라고 하며, 위치에 관계없이 모든 부분이 같은 조성을 가지고 있는 물질을 의미.

masking : the transformation of an interfering species into a form that is not detected. 방해 물질의 형태로 존재하나 탐지되지 않는 물질을 의미.

qualitative analysis : What is in an unknown. 정성분석이라 한다. 미지 시료가 무엇인지에 대해 알고자 하는 분석

quantitative analysis : How much is present. 정량분석이라 한다. 미지 시료가 얼만큼 존재하는지에 대해 알고자 하는 분석.

quantitative transfer : a complete transfer. 양적 이전이라고 하며(google), 시료를 용기에서 측정 가능한 vessel로 양적 손실이 없이 옮기는 것을 의미한다.

random heterogeneous material : differences in composition occur randomly and on a fine scale. (교재확인요망)

random sample : collected by taking portions from the desired number of segments chosen at random. 원하는 수의 구획을 무작위적으로 선택하여 취하는 것을 의미.

sample preparation : transforming a sample into a state that is suitable for analysis.
샘플을 분석에 적합한 상태로 변환하는 것을 의미.

sampling : procuring a representative sample to measure. 측정할 적합한 샘플을 취하는 것을 의미.

segregated heterogeneous material : in which large regions have obviously different compositions.

slurry : a suspension of solid in a liquid. 액체에 고체가 현탁 되어 있는 것을 의미한다.

standard solution : 농도를 정확히 알고 있는 용액을 의미. 표준 용액이라고 한다.

supernatant liquid : liquid above the packed solid. 상층액이라 하며, 쌓여 있는 고체 위에 존재하는 액체를 의미.

l  Process of Analysis

분석 과정은 다음의 과정을 거친다.

1. Formulating the question : 화학적으로 측정을 진행하게 될 과제를 설정

2. Selecting Analytical procedures : 적합한 분석 과정을 설정

3. Sampling : 분석하기 위한 물질을 적합한 상태로 만드는 과정. 일반적으로는 샘플을 녹인다는 것을 의미한다.

4. Analysis : 몇가지 적합한 비율로 분석 물질의 농도를 측정한다. 단일 비율 측정은 오차 발생이 가능하므로, 반복된 측정을 통하여 불확정성을 낮춘다. 불확정성은 측정 자체보다도 중요한데, 그 이유는 이 불확정성이 이 분석이 얼마나 믿을만 한 것인지를 나타내주는 척도이기 때문이다.

5. Reporting & Interpretation : 이 분석을 발표할 대상에 적절한 방식으로 보고서를 작성하며, 결과를 해석한다. 결과를 완벽하게 제공하고, 그들을 분석하는 과정에서 당면한 한계(limitation)을 강조한다.

6. Drawing Conclusion : 결론을 낸다. 결론을 짓는 과정에서 가능한 한 명확한 문장을 사용해야 이후에 이 결과를 사용할 사람들이 잘못된 해석을 하지 않는다.

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l  Example of Analysis

위의 과정을 Chocolate의 분석 과정을 통하여 이해한다.

1. Formulating the question

초콜릿에 들어있는 카페인은 많이 먹으면 몸에 해롭다. 그렇다면 초콜릿에는 카페인이 얼마나 들어있는가? 화이트 초콜릿과 다크 초콜릿의 차이는 무엇인가?

* Chemical Abstract를 검색해보는 것은 화학 전반을 이해함에 있어 매우 중요하다.

2, 3. Sampling, selecting analytical procedures

Selecting analytical procedure는 샘플링 후에 진행하기로 한다.

초콜릿을 샘플링함에 있어서, 초콜릿의 모든 부분의 균일하다고 볼 수 없으므로(마카다미아 등이 끼어있을 수 있음), 초콜릿을 여러 등분으로 잘라내어 여러 샘플을 만들어내야 한다.

마카다미아와 같은 nut은 초콜릿과 종류가 다르기 때문에, 우리는 이 둘을 균일 물질로 만들어내기 위한 전략을 구상해야 한다.
이를 위해서 우리는 평균적으로 초콜릿에 들어가는 카페인과 마카다미아의 질량을 알아내야 한다.

Sample preparation

샘플을 만들어내는 첫 단계는 초콜릿을 계량한 후, 초콜릿 속에 들어있는 지방을 빼내야 한다.(Extraction) 지방을 빼내지 않는다면, 이후의 크로마토그래피 분석에서 interfere 할 가능성이 매우 높다.

 

 

이를 위해서 petroleum ether를 사용하며, ether .는 유층으로 지방과 섞이게 된다.

Centrifuge를 진행하게 되면 튜브의 아래에는 고체들이 쌓이게 되고, 상층액은 지방과 섞인 ether가 나오게 된다.

상층액을 버려주고 나면 지방이 분리된 defatted residue를 얻을 수 있다.

* Caffeine과 Theobromine이 insoluble 하다는 특징을 이용하였다.

그럼에도 불구하고,. 완전히 지방이 제거되었다는 확신이 없으므로,. 2회 가량 추가로 Centrifuge를 진행한다.

마지막으로, 남은 물질은 비커 속의 끓는 물에서 튜브를 가열함으로서 제거해준다.



Quantitative Transfer

다음 과정은 샘플을 분석하기 위한 quantitative transfer 과정이다.

이는 모은 물질을 정확히 다 옮겨야 한다는 말이다.

만일 이들 중 조금이라도 옮겨지지 않는다면, 전체 분석은 오류를 가지게 되므로, 위 과정은 매우 중요하다.

이를 위하여, 순수한 증류수를 조금 넣어 주고, 다시 Centrifuge를 진행한다.

그리고 stirring과 heating을 동원하여 녹이고, 현탁시켜 옮겨준다.

다 된 후에는 50 mL 플라스크에 옮겨준다. 이와 같은 과정을 2회 정도 반복한다.

완벽한 제거를 위하여, 증류수를 더 첨가하여 부피를 30 mL로 맞춰준다.

이후, bath에 중탕되어 있는 상태로 물을 끓여, 플라스크를 가열해 준다.


* 이후의 정확한 분석을 위하여, 첨가한 물의 부피를 정확히 알고 있어야 한다.

따라서 이미 centrifuge tube에 있는 residue의 질량을 알고 있어야 하며, 비어 있는 플라스크의 질량 또한 알고 있어야 한다.

따라서, 영점을 맞춘 저울에 올려진 플라스크에 물을 방울방울 drop해서 33.3g을 맞추어 준다.

분석을 위해서는 크로마토그래피에 넣어 주어야 하는데, 그를 위해서는 미지 시료를 더 깔끔하게 만들어야 한다.

비싼 컬럼에 작은 입자가 들어가면 고장날 수 있기 때문이다.

이를 위하여 Centrifuge를 진행한다.

Centrifuge가 완료된 후의 현탁액은 filter하여 최대한 말끔한 상층액을 만들어 준다.


* 전반적인 위 과정의 모식도. 실린지를 사용하여 필터해 준 것에 주목.



4. Analysis

분석은 크로마토그래피에서 진행된다. 크로마토그래피는 Column을 사용하는데, 이 컬럼에는 탄화수소 분자들에 붙어있는 작은 실리카 입자들이 들어있다.

초콜릿 시료를 20 μL 주입하였으며, 79 mL의 증류수, 20 mL의 메탄올, 1 mL의 아세트산 혼합물로 컬럼을 Wash하였다.

Caffeine이 Theobromine보다는 수용성을 가지므로, 컬럼에 더 강하게 코팅된다.


분석물질들은 용매를 따라 씻겨 내려가고, Theobromine, Caffeine 순으로 내려간다.

분석물질들은 또한 그들 자체의 자외선 흡광 능력 때문에, detector에 의하여 확인되어진다. 이를 이용한 그래프를 Chromatogram이라고 한다.

Dark 초콜릿의 chromatogram으로, 4.6/150 column을 사용하였으며, Hypersil ODS의 5 μm 입자를 사용하여 packing하였다. 1.0 mL / min 의 flow로 water : methanol : acetic acid = 79 : 20 : 1 by volume의 solvent를 eluted시켰다.



Chromatogram 만으로는 물질을 정확히 분석할 수 없으며, 이 때문에 기준 물질이 필요하게 된다.

따라서 Caffeine과 Theobromine의 표준 용액이 peak의 의미를 파악하기 위한 기준 물질로 사용된다.



5. Interpreting the results.

진행한 실험은 결과로서 그래프 등으로 나타내어진다.

화학자들은 이러한 분석을 바탕으로 자신의 나름의 결론을 내려야 한다.

이 때, 듣는 청중이 누구인지를 고려하는 것은 매우 중요하며, 하고자 하는 말을 명확하게 제시해야만

이후에 이 분석을 활용할 사람들이 잘못된 해석을 내리지 않는다.

 

다크 초콜릿과 화이트 초콜릿에 함유된 Theobromine과 Caffeine의 함유량을 비교, 분석할 수 있다.