소개글
"일반화학실험 자유아카데미 원자의 선 방출 스펙트럼"에 대한 내용입니다.
목차
1. 원자의 선 방출 스펙트럼
1.1. 원소의 기원과 수소의 발견
1.2. 전기분해 개요
1.3. 선스펙트럼
1.4. Rydberg 공식
2. 실험 방법
2.1. 실험기구 및 시약
2.2. 실험 과정
2.2.1. 수소의 발생과 폭명성 실험
2.2.2. 금속 원소의 당량 결정
2.2.3. 물의 전기분해
2.2.4. 수소의 선스펙트럼
3. 실험 결과 및 분석
3.1. 실험 1 결과 및 결론
3.2. 실험 2 결과 및 결론
3.3. 실험 3 결과 및 결론
3.4. 실험 4 결과 및 결론
4. 고찰
4.1. 화학반응식을 알고 있다고 가정했을 때의 원자량 계산
4.2. 금속 아연의 결과 예상
5. 참고 문헌
본문내용
1. 원자의 선 방출 스펙트럼
1.1. 원소의 기원과 수소의 발견
우주의 시작부터 현재까지 가장 기본이 되는 원소인 수소의 기원은 빅뱅이론을 통해 알 수 있다. 우주가 초기에 탄생할 때 쿼크와 전자 등의 입자들이 형성되었고, 이후 점점 식어가면서 수소와 헬륨이 생성되었다. 이때 수소와 헬륨의 비율은 약 3:1이었는데, 이 비율은 현재까지도 유지되어 수소가 우주에서 가장 많은 부분을 차지하게 되었다. 이후 핵융합 반응과 초신성폭발로 인해 보다 무거운 원소들이 형성되었다. 수소는 물을 만드는 원소라는 의미로 수소(Hydrogen)라고 불리게 되었는데, 이는 1766년 영국 과학자 Cavendish가 금속에 산을 가하면 가연성이 좋은 기체가 발생하는 것을 발견한 실험에 의한 것이다.
1.2. 전기분해 개요
전기분해(Electrolysis)는 전류를 가하여 특정 물질을 비자발적인 방향으로 분해하는 것을 의미한다. 이런 반응을 진행시키는 화학전지의 한 종류를 전해전지(electrolytic cell)라고 한다. 화학전지의 또다른 종류인 갈바니전지와는 다르게 두 전극이 같은 전해질 용액 안에 존재하며, 주어진 반응의 전지전위에 과전압(overpotential)이 더해진 만큼의 전위차를 가해주어야 반응이 일어난다. 이때 환원 전극에서는 표준 환원전위가 가장 큰 화학종이, 산화 전극에서는 가장 작은 화학종이 산화-환원 반응을 일으키며 생성된다. 물의 전기분해 시 양극에서는 산소 기체가, 음극에서는 수소 기체가 발생하며, 이때 기체의 부피는 몰수에 비례한다는 Avogadro 법칙에 의해 산소와 수소의 몰수비는 1:2가 된다. 따라서 전기분해에서는 일어나는 산화-환원 반쪽 반응에 따라 각 전극에서 기체가 발생하며, 이러한 기체 발생량이 몰수비로 일치한다는 것을 알 수 있다. 이처럼 전기분해는 주어진 반응의 전지전위에 과전압을 가하여 비자발적인 방향으로 반응을 일으키며, 그 과정에서 산화-환원 반응이 진행되어 각 전극에서 서로 다른 물질이 생성되는 특징을 지닌다. 전기분해는 다양한 화학 공정에서 활용되며, Avogadro 법칙을 실험적으로 확인할 수 있는 중요한 개념이기도 하다. []
1.3. 선스펙트럼
선스펙트럼은 특정 원소가 들뜬 상태에서 에너지가 감소할 때 방출되는 빛을 분광기로 관찰하면 여러 개의 특정한 복사선만을 나타내는 것을 말한다. 원자 내의 전자들이 모든 파장의 빛들에 해당하는 에너지를 다 흡수할 수는 없으므로, 특정한 에너지 준위만을 가질 수 있고 그 차이만큼의 에너지만을 흡수, 방출할 수 있기 때문이다. 백색광은 가시광선 영역의 모든 파장의 빛을 포함하므로, 분광기로 관찰하면 연속적인 스펙트럼을 보이지만, 특정 원소가 들뜬 상태에서 에너지가 감소할 때 방출되는 빛을 분광기로 관찰하면 그 스펙트럼이 여러 개의 특정한 복사선만을 나타내게 된다. 이러한 불연속적인 선들은 원자 내의 전자들이 모든 파장의 빛들에 해당하는 에너지를 다 흡수할 수는 없다는 것을 의미하므로, 특정한 에너지 준위만을 가질 수 있고 그 차이만큼의 에너지만을 흡수, 방출할 수 있다는 것을 알 수 있다. 1885년 스위스의 교사 Balmer는 수소의 선스펙트럼의 파장을 수소 원자의 Rydberg 공식을 이용하여 = R(1/2^2 - 1/n^2)와 같은 간단한 식으로 나타낼 수 있음을 발견했다. 이후 스웨덴의 분광학자 Rydberg는 이를 좀 더 일반화하여 = R(1/n1^2 - 1/n2^2)의 형태로 표현하였고, 현대 양자 이론의 발전에 따라 실험적으로 결정된 Rydberg 상수를 이용하여 이 공식을 사용하고 있다. Rydberg 공식을 통해 수소 원자의 선스펙트럼에서 일정한 패턴을 관찰할 수 있는데, 주양자수 n=2일 때의 전이선들을 발머 계열, n=1일 때의 전이선들을 라이먼 계열, n=3일 때의 전이선들을 파센 계열이라고 부른다. []
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참고 자료
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Robinson, 2018, 자유아카데미, 일반화학
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흡광도, 베르 – 람베르트 법칙
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