경남중등화학교육연구회_분광광도계를 활용한 잔류염소 농도 결정[2탄]

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학습 목표 : 분광광도계를 활용하여 잔류염소의 농도를 결정할 수 있다.

 
목차 :

1. 잔류염소란?
2. 잔류염소의 농도, 어떻게 알 수 있을까?

탐구1. 서로 다른 농도의 물질을 분광법으로 구분할 수 있을까?
탐구2. 미지 용액 A 속 잔류 염소의 농도를 알 수 있을까?
 
3. 실험 결과 나누기
4. 수돗물 속 잔류 염소는 존재할까?
5. 한 걸음 더 나아가기

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1. 잔류 염소란 무엇일까?

학생들은 미리 조사해 옵니다. 

생각1. 잔류 염소란 무엇일까요? 염소와 잔류염소의 차이는 무엇일까요? 잔류염소의 종류에는 어떤 것이 있을까요?
학생들의 대답을 통해 유리 잔류염 와 결합 잔류 염소의 개념을 도출합니다.
유리 잔류 염소 - 염소기체(Cl2)가 물에 용해되어 생성되는 차아염소산(HOCl)과 차아염소산이온(OCl-)를 의미
결합 잔류 염소 - 염소, 차아염소산 또는 차아염소산이온이 암모니아와 반응하여 생성된 모노크로라민(NH2Cl), 디클로라민(NHCl2), 트리클로라민(NCl3)를 의미한다. -> 락스 냄새, 수영장 냄새의 주요 원인
 
염소(Clorine)은 주기율표의 17족, 할로젠 원소로, 반응성 깡패이다. 산화를 잘 시킨다. 

염소에 대해 이야기 하면서 하버 이야기가 나왔는데요. 하버(Haber)는 토양의 질소 고정으로 농업 협명을 일으켰으며 노벨상을 수상하였습니다. 그러나 1차 세계 대전에서 독가스로 염소를 활용하자고 제안한 사람도 바로 이분입니다. 심지어 어떤식으로 어떤 날씨에 써야 한다고 적극적으로 진두지휘 했다고 하고, 이를 반대한 하버의 아내는 끝내 자살했다고 합니다. 
생각2. 과학자의 업정에 대한 양면성에 대해 이야기 해보고, 어떤 목적으로 과학기술을 개발해야 할까 생각해봅시다.
 
차아염소산(HOCl)은 염소기체가 물과 반응하여 생성되는 물질인데요. 락스나 소독약에 주로 쓰이는 것입니다. 
잔류 염소란 유리 잔류 염소에서 결합한 결합 잔류 염소가 발생될 경우 락스 냄새가 나는데요. 
물속에 유리 잔류 염소가 있을 경우 오염된 물이라고 합니다. 
pH에 따른 유리 잔류 염소 존재비를 보면

출처 : 스마트계측기

산성에서 유리 잔류 염소는 염소기체(Cl2)로 존재하며 이는 세계대전에서 사용되었던 독가스를 만들어냅니다. 따라서 락스 성분(차아염소산 함유)이 산과 만나면 염소기체가 발생해서 사망할 수 있습니다.

 

2. 잔류염소의 농도는 어떻게 알 수 있을까?

어떤 커피가 쓴지 어떻게 알 수 있을까요? 색깔을 보면 농도를 알아낼 수 있습니다. 
색이라는 것은 빛과 연관이 있고 빛은 파장과 연관이 있는데요. 
빛(light)은 좁은 의미에서 가시광선, 넓은 의미에서 전파, 마이크로파, 감마선 등 모든 영역의 전자기파를 말합니다. 

빛의 삼원색은 RGB 인데요. 이 세가지 색을 적절히 조합하면 어떤 색이라 만들어 낼 수 있죠.(중1과학내용)

색이 보이는 원리는 무엇일까요?
빨간 사과가 빨간색으로 보이는 것은 사과가 주로 초록색과 파란색 빛은 흡수하고 나머지 파장의 빛은 반사 또는 투과되는 것입니다. 

사과의 흡광도 예시

엽록소는 주로 빨간색과 파란색을 흡수하고 거의 흡수되지 않는 초록색이 반사 또는 투과되어 식물이 초록색으로 보이는 것이지요.

서로 다른 농도의 클로렐라 흡광도를 비교해 보겠습니다. 
농도가 더 높은 클로렐라는 무엇일까요? 같은 종류의 물질이라서 흡수한 위치(파장) 비슷합니다. 다만 흡광된 수치가 다른데요. 농도가 높을수록 흡광도는 높습니다.
농도가 진할수록 더 많은 빛을 흡수한다(흡광도가 높다.)는 것을 알 수 있습니다.
분광광도계는 이러한 원리가 적용되었는데요. 

분광법이란? 파장에 따른 빛과 물질 간의 상호작용을 연구하는 것으로, 물질에 방출되거나 흡수되는 스펙트럼을 분석하여 물질을 식별합니다. 
정성 분석 : 시료에 들어 있는 물질의 성분(종류)을 확인. 시료의 스펙트럼을 데이터베이스에 저장된

                 표준 물질의 스펙트럼과 비교하여 성분을 확인. 즉, 비교해서 같으면 같은 물질, 다르면 다른 물질!
정량 분석 : 시료에 들어 있는 성분 물질의 양을 결정.
                 표준 용액의 흡광도 대 농도 곡선(검정 곡선)으로부터 미지 시료의 농도 결정. 즉 얼만큼 있는지 농도를 알 수 있습니다.
그럼 우리가 검출해야 하는 유리 잔류염소는 어떻게 측정할까요?
바로 DPD시약을 사용하는데요. 유리 잔류 염소와 DPD 시약이 반응하면 마젠타색을 나타냅니다. 그러나 반응을 보면 차아염소산이 DPD용액보다 많으면 더 산화되어 무색이 되는데요. 그렇다면 어떻게 해야 할까요? 바로 충분한 양의 DPD시약을 넣어주어야지만 유리 잔류 염소에 의해 더 산화되는 것을 막을 수 있겠죠?

마젠타 색은 어떻게 볼 수 있나요? 바로 빨간색과 파란색 빛을 반사하면 볼 수 있습니다. 

흡수된 파장의 영역을 보면 초록색 부분의 흡광도가 증가해 있고, 보라색이나 빨간색 부분은 흡광도가 낮은 것을 볼 수 있습니다. 즉, 우리가 눈에 보이지 않은 색의 영역이 높게 나타나는 것을 알 수 있죠. 
 
이를 활용하여 [3탄]에서 첫번째 탐구를 시작해 봅시다!
 
[3탄] 탐구1. 서로 다른 농도의 물질을 분광법으로 구분할 수 있을까?