안녕하세요, Analytical Chemistry 1 시리즈를 연재하게 된 Jadeite입니다. 이 시리즈에서는 Daniel C. Harris와 Charles A. Lucy가 저술한 Quantitative Chemical Analysis, 10th ed. 를 바탕으로 분석화학의 내용들을 정리할 예정입니다. 분석화학 1에서는 Ch. 0부터 Ch. 17까지를 다루며, 그 목차는 다음과 같습니다:
Ch. 0 | The Analytical Process (현재 글) |
Ch. 1 | Chemical Measurements |
Ch. 2 | Tools of the Trade |
Ch. 3 | Experimental Error |
Ch. 4 | Statistics |
Ch. 5 | Quality Assurance and Calibration Methods |
Ch. 6 | Chemical Equilibrium |
Ch. 7 | Let the Titrations Begin |
Ch. 8 | Activity and the Systematic Treatment of Equilibrium |
Ch. 9 | Monoprotic Acid-Base Equilibria |
Ch. 10 | Polyprotic Acid-Base Equilibria |
Ch. 11 | Acid-Base Titrations |
Ch. 12 | EDTA Titrations |
Ch. 13 | Advanced Topics in Equilibrium |
Ch. 14 | Fundamentals of Electrochemistry |
Ch. 15 | Electrodes and Potentiometry |
Ch. 16 | Redox Titrations |
Ch. 17 | Electroanalytical Techniques |
이번 글에서는 Ch.0 The Analytical Process를 다룰 것입니다.
먼저, 화학 분석에는 정량적 분석(Quantitative chemical analysis)과 정성적 분석(Qualitative chemical analysis)이 있습니다.
정성적 분석: 물질에서 하나, 혹은 그 이상의 구성 성분을 밝혀내는 것, '무엇이' 있는가에 더 초점
정량적 분석: 물질이 얼마나 있는지를 밝혀내는 것, '얼마나'에 더 초점
화학 분석에서는 정성적 분석과 정량적 분석이 모두 의미 있는 활동으로, 두 과정이 모두 이루어질 필요가 있습니다.
교재에 있는 예시로, '초콜릿 바에 카페인이 얼마나 들어 있느냐?'로 화학 분석의 과정을 살펴보겠습니다.
- 샘플링(Sampling): 분석할 표본을 추출하는 것으로, 이러한 샘플링을 통해 추출한 표본을 이용하여 평균을 내거나 표준편차를 구하는 등 통계처리를 하게 됩니다. 이때 하나의 초콜릿에서 여러 표본을 샘플링하거나, 여러 종류의 초콜릿을 샘플링하는 등의 과정이 필요합니다. 이때, 모집단의 성질이 균일(Homogeneous)한지, 아니면 불균일(Heterogeneous)한지도 중요한 요소로 작용하게 됩니다. 이 예시에서는, 순수한 초콜릿 바는 균일하다고 할 수 있고, 내부에 아몬드가 들어간 초콜릿은 불균일하다고 할 수 있습니다. 이러한 모집단에서 표본을 추출할 때 서로 다른 방법으로 추출해야 할 것입니다.
- 시료를 준비하는 단계(Sample preparation): 이 예시에서는 초콜릿에 포함된 지방을 제거해야 하므로, 매우 곱게 갈아 석유 에터와 같은 무극성 용매에 지방을 녹일 필요가 있습니다. 이후 이 무극성 용매는 따라 버려야(Decant) 합니다. 이후 분석할 물질(분석물, Analyte)인 카페인은 수용성이므로, 정량적 이동(Quantitative transfer)을 통해 지방이 제거된 초콜릿을 삼각 플라스크에 옮겨 담고 물에 녹입니다. 이때 고체가 액체에 분산된 슬러리(Slurry) 상태로 있게 되며, 이러한 슬러리를 원심분리하게 되면 카페인이 녹아 있는 용액과 남은 고체 물질이 분리되게 됩니다. 위에 남아 있는 용액을 상층액(Supernatant liquid)이라고 합니다. 상층액에 남아 있는 불순물을 제거하기 위해 필터에 여과하는 등의 과정이 필요하며, 이러한 과정을 끝내면 시료의 준비가 끝납니다. 이때 모든 샘플과 용매 등은 질량이나 부피를 알고 있어야 합니다. 한편, 최근에는 고체상 추출(Solid-phase extraction)을 이용하여 시료 준비 단계를 단순화할 수 있습니다.
- 화학 분석(Chemical analysis): 수많은 화학 분석 방법 중 어느 방법을 이용하여 화학 분석을 시행할지 결정해야 합니다. 교재의 예시에서는 분석물의 이동 속도 차이를 이용한 크로마토그래피(Chromatography)를 이용하였습니다. 향후 Analytical Chemistry 2에서 다루게 되겠지만, 크로마토그래피를 시행하기 전 칼럼(Column)을 세척해야 합니다. 이때 실리카 칼럼의 경우, 산 씻기를 이용하여 분석의 오차를 줄여야 합니다. 이용한 칼럼은 실리카 표면에 탄화수소 분자가 붙어 있는 칼럼(예: C18 칼럼)이고, 카페인이 테오브로민보다 실리카 표면의 탄화수소 분자와 친화도가 더 높으므로 카페인의 이동 속도가 테오브로민의 이동 속도보다 느려지게 됩니다. 따라서 테오브로민이 칼럼에서 먼저 나오고, 그 후 카페인이 나오게 됩니다. 이러한 분석물들은 자외선을 흡수하므로 자외선을 이용해 정량할 수 있고, 이러한 정량은 시간에 따른 자외선의 흡광도를 그래프로 나타낸 크로마토그램(Chromatogram)을 이용하게 됩니다. 크로마토그램 자체로는 각각이 무슨 물질인지 알 수 없기 때문에, 각 피크(Peak)에 해당하는 물질의 스펙트럼을 보거나 정해진 양의 순수한 카페인 또는 테오브로민을 첨가하여 어떤 피크가 얼마나 증가하는지 보면서 어떤 피크가 어떤 물질인지 결정할 수 있습니다. 이를 소량 첨가(Spiking)라 합니다(Ch. 5 참조). 일반적으로는 정량 시 피크의 아래 면적을 이용하게 됩니다. 정량 시에는 교정 곡선(Calibration curve)을 이용하는 방법이 있습니다. 이는 농도를 알고 있는 표준 용액(Standard solution)을 이용해 각 농도에 대한 측정 기기의 반응을 그래프로 나타낸 것으로, 이를 통해 특정 반응에 대해 그에 해당하는 농도를 구할 수 있습니다.
- 마지막으로, 결과를 해석하는 단계입니다. 이는 '값±표준편차'의 형태로 보고되며(Ch. 4 참조), 표준편차를 통해 값이 재현성이 있는지 확인할 수 있습니다.
이상의 과정들을 정리하면 다음과 같습니다:
1. 질문을 구체화하기
2. 분석 방법 선택하기
3. 샘플링
4. 시료 준비
5. 분석
6. 보고 및 해석
7. 결론 끌어내기
위와 같은 방법으로 화학 분석이 진행되며, 실험이 보고된 많은 화학 논문들에서도 위와 같은 과정을 따르고 있음을 알 수 있습니다.
다음은 Ch.1 Chemical Measurements입니다. 이 단원에서는 측정 시 알아두어야 할 사항들에 대해 다룹니다.
참고 문헌
Harris, D. C.; Lucy, C. A. The Analytical Process. In Quantitative Chemical Analysis, 10th ed.; Macmillan Higher Education, 2020; pp 1-9.