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니트로화 반응 Methyl 3-nitrobenzoate 제조 A+ 평가A+최고예요

1. 실험 제목니트로화 반응: Methyl 3-nitrobenzoate 제조2. 실험 날짜0000.00.003. 실험 이론[Methyl 3-nitrobenzoate 제조]Methyl 3-nitrobenzoate는 2단계의 과정을 걸쳐 제조한다. 1단계에서는 니트로화 반응(진한황산과 질산을 이용해 만든 니트로늄 이온과 Methyl benzoate가 결합)을 통해 생성물을 제조한다. 2단계에서는 재결정 과정(recrystallization: ethanol에탄올)을 통해, 1단계에서 생성한 Methyl 3-nitrobenzoate의 순도를 높인다.[니트로화 반응: Mechanism for Nitration of Benzene]니트로화 반응은 친전자성 방향족 치환반응으로, 니트로늄 이온이 강한 친전자체로 작용하여 방향족 고리 화합물(이 실험에서는 methyl benzoate)을 공격하는 벤젠의 전형적인 치환반응 중 하나이다.Step 1: 질산의 hydroxy기가 양성자화하는 산염기 반응이 일어난다. 해당 실험에서는 황산 촉매(HOSO3H)가 질산(HONO2)을 양성화 시킨다.Step 2: 양성화된 질산이 물 분자와 니트로늄 이온(nitronium, NO2+)으로 분리된다.Step 3: 니트로늄 이온이 강한 친전자체로 작용하여 벤젠의 친핵성 C=C 고리를 공격한다. (속도 결정 단계)Step 4: 물 분자가 니트로기가 있는 sp3 C로부터 양성자를 가져옴으로써 하이드로늄 이온(H3O+)이 되어 방향족 시스템을 회복시킨다.4. 실험 과정[시약 및 실험 기구 조사]▶ 시약- 진한 황산 concentrated sulfuric acid *황산: [화학식] H2SO4, [분자량] 98, 황산을 90% 이상을 함유한 혼합물을 진한 황산이라 한다. 이 실험에서는 질산과 혼합하여 니트로늄 이온(nitronium)이 만들어진다.- 질산 nitric acid *: [화학식] HNO3, [분자량] 63, 각종 질산염, 질산형 질소비료, 니트로화합물 화약류의 원료가 되며, 이 실험에서는 황onium)과 반응하여 Methyl 3-nitrobenzoate이 만들어진다.- 에탄올 ethano l*에틸알코올: [화학식] C2H6O, [분자량] 46, 이 실험에서 에탄올은 Methyl 3-nitrobenzoate을 녹여 다시 결정화하기 위해 사용된다.- 충분한 양의 얼음- 약 60’C 이상의 충분한 양의 뜨거운 물▶ 기구- Erlenmeyer flask (125ml) & stoppers- dropping funnel *: 유체를 운반하는 데 이용하는 실험실 기구로, 유체의 흐름을 제어할 수 있는 stopcock이 장착되어 있어 시약을 천천히 첨가할 때 유용하다. 이 실험에서는 dropping funnel을 이용해 황산-질산 혼합액을 Erlenmeyer flask에 천천히 떨어뜨려 안의 물질과 교반하며 반응시킨다.- Buchner funnel & suction filatration unit- stand & clamps- water dish(얼음 수조)- 비이커 (250ml)- 온도계- pipette (10ml)[실험 방법]▶ 1단계 – 생성물 제조1. 125 ml Erlenmeyer flask에 진한황산 12ml를 넣고 얼음 (또는 얼음물) bath에 담궈 약 0’C로 냉각시키고, methyl benzoate 6.1g을 넣고 약 0-10’C로 온도를 유지한다.2. Erlenmeyer flask 위에 dropping funnel을 설치한 후, funnel 속에 미리 약 0-10’C로 냉각시킨 황산-질산 혼합액(각 4ml씩 총 8ml)을 넣고, 천천히 한 방울씩 떨어뜨리면서 교반시키며 반응시킨다. 혼합액을 모두 넣은 후, 계속 15분간 상온에서 교반시킨다.3. 반응이 종결되면, 반응용액을 약 50g의 얼음이 담긴 비이커에 붓고, 냉각시킨다.4. 생성물 고형분이 섞인 차가운 용액을 Buchner funnel 및 suction filatration unit를 이용하여 filatration 하고, 차가운 물을 1-2회 부어 세척한 후, 과량의 물을 제거한다.▶ 2filtration 한다.3. 필요한 경우, 위의 재결정 과정을 1회 더 반복한다.4. 최종적으로 얻어진 생성물의 소량을 취하여, 녹는점(melting point, 78’C)을 확인한다.5. 필요한 경우, FT-IR로 생성물을 확인한다.5. 실험 결과▶ 사진1: Methyl 3-nitrobenzoate 최종생성물▶ 사진2: Methyl 3-nitrobenzoate 구조식▶ 표1: standard FT-IR spectrumMethyl 3-nitrobenzoate 의 standard FT-IR spectrum과 실험결과 FT-IR spectrum을 비교하면 다음과 같은 6가지 peak를 추출할 수 있다.WavenumbersRange (cm-1)작용기3092.74sp3 C-H2869.10sp2 C-H1716.43C=O1135.75C-O1526.95aromatic ring C-C1350.63N=O▶ 표2: 실험결과 FT-IR peak 분석표 ▶ 사진3: 실험결과 FT-IR spectrum6. 고찰▶ 1. 이 실험에서는 생성물의 FT-IR 분석 결과의 주요 peak들이 Methyl 3-nitrobenzoate의 FT-IR 결과와 유사함을 증명하여 해당 실험은 Methyl 3-nitrobenzoate을 올바르게 제조하였음을 확인하였다. 이때 사용한 FT-IR 방법은 적외선 분광법 중 하나이다. 적외선 분광법은 적외선 영역을 이용하여 특정 화합물에 의해 흡수되는 에너지의 파수를 실험적으로 측정함으로써 해당 화합물이 어떤 종류의 결합을 지니고 있는가를 추정하고 이를 스펙트럼으로 나타낸다.이외에도 이 실험의 생성물의 녹는점과 Methyl 3-nitrobenzoate의 녹는점을 비교함으로써 해당 실험이 과연 Methyl 3-nitrobenzoate을 올바르게 제조하였는지 확인할 수 있다. 녹는점을 알기 위해서는 DSC(Differential Scanning Calorimeter, 시차주사열량계)라는 열분석법을 이용한다. DSC는 어떤 물질에서 전이와 관련된 온도와 열 흐름을 분(Thermogravimetric Analyzer, 열중량분석기), TMA(Thermomechanical Analyzer, 열기계분석기)가 있다. * Methyl 3-nitrobenzoate C8H7NO4 속성: [녹는점] 78-80’C, [끓는점] 279’C, [분자량] 181.2▶ 2. 이 실험은 1단계 실험 후 생성된 고형분을 가지고 재결정하는 2단계 실험을 진행한다. 재결정은 높은 온도의 용매에 많은 양의 용질을 용해시킨 후 이 용액을 느린 속도로 다시 냉각시켜 용해도 차이에 의한 용질이 석출되어 결정화하는 과정이다. 이는 실험 과정 중의 생성물로부터 불순물을 제거하여 순도를 높여줌으로써 실험의 오차를 줄인다. 재결정 과정을 거치지 않고 FT-IR 분석을 진행한다면 그 결과는 순수한 생성물(이 실험에서는 Methyl 3-nitrobenzoate)의 standard FT-IR와 정확한 대조가 어려워지고 높은 오차가 발생할 것이다.따라서 이 실험에서는 2단계 재결정 과정은 보다 더 정확한 결과를 위해 반드시 필요할 것이며, 이때 Methyl 3-nitrobenzoate은 방향족 화합물 중 하나로, 물에 녹지 않는 유기 용매, methanol 또는 ethnaol을 이용하여 완전히 용해시킨다. 또한, 이러한 재결정 과정을 거쳤음에도 실험 결과를 살펴 보면, standard FT-IR표에서 aromatic ring C-C결합의 Wavenumbers Range는 ~1600와 ~1500-1430(cm-1)이지만, 실험결과 FT-IR spectrum에서 분석한 Wavenumbers Range 1526.95(cm-1)값과 약간의 오차가 있음을 발견할 수 있다. 이러한 부분은 재결정 통해 완벽히 걸러지지 않은 불순물로 인한 오차라고 판단되며 여러 번의 재결정을 통하면 실험의 오차를 더욱 줄일 수 있을 것이다.7. 참고문헌- 화공생물공학과 교수진, “2021-2 화공생물공학 기초실험”, 동국대학교, 2021, p. 4-6- Paula Yurkanis Bruice, “유기화 Benzene, Hyperlink "http://www.chem.ucalgary.ca/courses/350/Carey5th/Ch12/ch12-3.html" Ch12: Aromatic nitration (ucalgary.ca)- HYPERLINK "https://www.chemicalbook.com/ProductIndex_KR.aspx" t "_blank" ChemicalBook, Methyl 3-nitrobenzoate, Hyperlink "https://www.chemicalbook.com/ChemicalProductProperty_KR_CB9778023.htm" Methyl 3-nitrobenzoate | 618-95-1 (chemicalbook.com)- Hyperlink "https://www.chemicalbook.com/ProductIndex_KR.aspx" ChemicalBook, 에틸알코올, Hyperlink "https://www.chemicalbook.com/ChemicalProductProperty_KR_CB2362508.htm" 에틸알코올 | 64-17-5 (chemicalbook.com)- Hyperlink "https://www.chemicalbook.com/ProductIndex_KR.aspx" ChemicalBook, 안식향산메틸, Hyperlink "https://www.chemicalbook.com/ChemicalProductProperty_KR_CB8252119.htm" 안식향산메틸 | 93-58-3 (chemicalbook.com)- Hyperlink "https://www.chemicalbook.com/ProductIndex_KR.aspx" ChemicalBook, Methyl 3-nitrobenzoate, Hyperlink "https://www.chemicalbook.com/ChemicalProductProperty_KR_CB9778023.htm" Methyl 3-nitrobenzoate | 618-95-1 (che

자연과학| 2022.03.03| 6페이지| 1,500원| 조회(581)

니트로화, 니트로화 반응, 화공생물공학기초실험

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금속조직학 및 미세조직 관찰 A+

1. 실험 제목 금속조직학 및 미세조직 관찰 2. 실험 날짜 3. 실험 이론 [시편의 전처리과정] 광학 현미경으로 재료의 조직을 관찰하기 위해서는 시편의 표면이 거칠게 긁힌 자국이 없는, 완전한 평면으로 만든 후, 적절한 부식액으로 부식시키는 시편 전처리 공정을 거쳐야 한다. 1. 마운팅(mounting) 마운팅이란 일반적으로 절단된 시편을 그라인딩이나 폴리싱하기 전, 수지를 이용하여 시편을 고정시키고 일정한 형태로 만드는 과정이다. 마운팅은 세 가지 주요 기능이 있다. 첫 번째는 시편의 가장자리 및 시편의 표면을 보호하는 것, 두 번째는 다공성 재질의 기공을 채우는 것, 세 번째는 다양한 모양의 시편을 다루기 쉬운 일정한 크기는 만들어 주는 것이다. Mounting 방법으로는 크게 두 가지가 있다. Hot Compression Mounting 방법과 Cold Mounting 방법이다. 두 가지 방법은 시편과 사용 목적에 따라 선택적으로 사용하면 된다. Hot Mounting은 열 가소성 수지 및 열 경화성 수지 등을 사용하여 Mounting press를 이용하는 방법이고, Cold Mounting은 Castable 수지(내화물 수지)를 이용하는 방법이다. ✓ 핫 마운팅 (Hot Compression Mounting) 열 경화성 수지 및 열 가소성 수지 공히 사용이 가능하며 Mounting Press에 시편을 넣고 수지를 채운 뒤 가열, 가압하여 성형한다. 열 경화성 수지는 고온에서 경화하는 종류로서 냉각 전에 고온에서 제거해도 되나 가급적 냉각 후 빼내는 것이 열 수축에 따른 문제점과 시편과 수지의 접촉상태에 유리하다. 열 가소성 수지는 고온에서 녹고 저온에서 경화하는 수지로서 필히 상온까지 냉각한 후에 Mold에서 제거해야 한다. 사용하는 수지는 Phenolic 수지, Acrylic 수지, Epoxy 수지 등이 사용되고 Phenolic 수지가 저렴한 가격으로 인해 보편적으로 사용된다. Diallyl phthalates 및 Epoxy resins은 고가이지만마(grunding) & 연삭(polishing) grinding 이란 절단 작업에서 발생한 손상을 제거하기 위한, 시편 전처리 과정 중 가장 중요한 단계이다. 주로 60mesh부터 120, 240, 320, 400, 600mesh의 샌드페이퍼(Sandpaper)를 이용해 시편의 표면을 갈고 다듬는다. 겉면의 숫돌입자의 굵기 정도에 따라 샌드페이퍼의 거친 정도가 결정되고, 표시된 숫자가 작을수록 거칠다. Grinding 시에는 열 발생을 최소화하고 Paper의 수명을 연장하기 위하여 Wet Grinding 방법을 이용한다. Wet Grinding은 눈 매움 현상을 완화해주며 표면으로부터 떨어져 나온 마찰입자 및 절단 조각들을 제거해준다. 따라서, 떨어진 마찰입자들이 시편 표면에 묻는 경향을 최소화 해주는 장점을 가지고 있다. 그라인딩(Grinding)의 방향은 각 단계마다 45~90도 사이로 다양하게 잡아주어야 한다. 수동 그라인딩에서는 전 단계에서 생성된 스크래치의 제거 유무를 육안으로 확인해야 하며 자동 폴리싱 장비는 일정한 방향성을 갖는 스크래치 형상을 확인해야 한다. 각 단계마다 시편은 항상 흐르는 물로 깨끗하게 세척하여 각 단계에서 떨어져 나온 마모 입자들이 다음 단계로의 유입을 방지해야 한다. 좀 더 예민한 시편은 초음파 세척을 사용해야 한다. Grinding용 연마재로는 SiC, emery, alumina, diamond, boron carbide 등이 사용된다. SiC는 고유의 높은 경도, 낮은 가격 및 좋은 절삭 특성으로 인하여 가장 많이 쓰이는 연마재이다. Aluminium Oxide의 경도는 SiC에 비해 좋지는 않지만 거의 유사한 경향을 가지고 있으며, 손실된 마모 입자들이 시편에 묻는 현상이 나타나지만, 주료 연한 재료에 나타난다. 따라서 연한 재료의 경우에는 SiC 또는 emery로 대처하여 사용한다. 이러한 묻힘 현상은 Dry Grinding에서 주로 나타나는 현상인데 Wet Grinding에서 나타나는 경우는 액체 비누 또는 ker 속도는 polishing의 마지막 단계에서는 특히 중요한 factor로 작용하는데 comet tail, pull out, edge rounding과 같은 현상들이 속도 조절의 적정성을 이루지 못함으로써 생기는 현상이다. 일반적으로 최상의 polishing 표면을 얻으려면 시편의 전체 면에서 같은 상대속도(Polishing cloth와 시편 사이)를 가져야 한다. 이를 위해서는 시편의 회전 속도와 wheel의 회전 속도가 같아야 하며 회전 방향도 동일해야 한다. 수동 연마는 가장 정확한 grinding 방법이며 각 sand paper를 바꿀 때 마다 90도씩 바꾸어 가며 흠집이 완전히 없어질 때까지 연마를 한다. 가능한 sand paper를 자주 바꾸어 작업 시간을 줄여야 양질의 시편을 얻을 수 있다. ✓ 연마재 Diamond powder가 가장 일반적으로 사용되나 최초의 rough grinding 및 마지막 단계의 oxide polishing 단계에는 diamond를 사용하지 않는 경우도 있다. 일반적으로 연마재의 경도는 시편의 경도 보다 2.5~3배 정도 단단한 것을 사용하며 사용량은 polishing cloth나 시편에 따라 다르나 단단한 시편 및 nap이 많은 cloth를 사용하는 경우에는 많은 양의 연마재를 사용하게 된다. 사용하는 연마재의 크기는 가급적 작은 것을 사용하는 것이 시편에 손상을 덜 준다. 각 단계를 바꾸면서 polishing이 진행되는데 이때에는 가급적 빠른 시간 안에 작업이 끝나도록 연마재의 크기를 조절한다. ✓ 윤활제 냉각 및 윤활을 위하여 윤활제를 사용하게 되는데 물, 알코올, 오일 등을 기재로 사용하며 시편의 종류 및 단계에 따라 다양한 종류의 윤활제가 사용된다. 물이나 알코올이 기재로 사용되는 윤활제는 냉각 능력이 좋고, smearing이 적으며 절삭성이 좋다. 반면 매우 무른 재질의 경우에는 냉각 능력이 떨어지고 smearing이 상대적으로 많이 일어나지만, 절삭성이 떨어지는 윤활제를 사용하여 적은 하중으로 천천히 polisting층의 연마 시에는 각 재료의 특성에 따라 연마 방향을 결정한다. 예를 들어, 연성재료에 취성 재료의 coating을 한 경우, 연마 방향을 모재로부터 coating층으로 하여야 하며 그 반대인 경우에는 coating층에서 모재 방향으로 해야 한다. ✓ 압력 압력은 가급적 적을수록 좋으나 너무 적으면 시간이 오래 걸리는 단점이 있다. 압력이 높을 경우 표면이 손상되며 마찰열에 따른 상 변화도 예상된다. 일반적으로 압력은 10psi (직경30mm 경우 약 4~5kgf 정도) 전후가 많이 사용되며 시간은 약 5분 정도로 작업이 끝나는 것이 일반적이다. 시편이 커지면 힘을 증가 시키는 것보다는 시간을 늘이는 것이 바람직한데 시편에 가해지는 압력은 가하는 힘, 시편의 면적 및 mounting재료 등에 따라 영향을 받습니다. 특히 시편이 mounting재료에 비해 월등히 단단한 경우에는 가하는 하중을 시편의 면적으로 나눈 값이 시편에 가해지는 압력으로 정의할 수 있다. 높은 압력은 당연히 grinding 속도가 증가하나 더불어 시편에 가해지는 손상량도 증가한다. 높은 압력은 마찰열을 수반하는데 이는 ceramics, minerals and composites 재료의 CMP에서는 도움이 되며 같은 이유로 단단하고 취성이 큰 nodular cast iron 등은 높은 압력과 낮은 속도로 grinding을 함으로서 inclusion이나 이상 조직을 유지할 수 있다. ✓ 시간 가급적 짧은 시간이 바람직합니다. 너무 오랜 시간의 작업은 Relief 및 Edge Rounding 같은 원치 않는 현상이 발생할 수 있다. 3. 부식(etching) 에칭은 광학적으로 결정립 크기, 상 등의 미세조직을 관찰하기 위한 과정이다. Polishing이 끝난 시편의 미세조직을 관찰하기 위하여 적절한 부식액을 선택하여 부식을 한다. 목적에 따라 특정한 부식액의 선택이 중요하다. 부식하지 않은 연마 면에서는 모상과 색이 다른 상이라든지, 비금속 개재물 등이 있는 경우를 제외하고는 아무런 조직 어려운 재료의 결정립를 분석하는데 유용한 기술로서 광학 및 전자 현미경에 의해 관찰할 때 결정립계를 선명하게 관찰할 수 있다. - 열 부식 (Thermal Etching): 열 부식은 세라믹 재료에 대해 유용한 부식 기술이다. 열 부식은 재료의 결정립계가 Grain 내부에 비해 상대적으로 높은 에너지 상태에 있으므로 인해 재료의 소결 온도보다 낮은 온도에서 가열유지 시키면 결정립계에 먼저 홈이 형성되는 성질을 이용한 방법이다. [결정입도 측정] 결정입도란 결정립의 평균크기를 나타내는 척도이다. 100배 확대한 현미경 사진으로 한 변이 25㎜인 정방형 면적(625㎟)에 포함된 결정립의 2차원적인 수를 측정하여, 그 수를 입도번호라고 부르며 입도를 측정하고 표시한다. 결정입도는 금속재료의 항복 강도뿐만 아니라 피로 강도 및 인성에도 영향을 주는 아주 중요한 요소이다. 따라서 결정입도의 측정이 필요하다. 이런 결정입도 측정에는 여러 방법이 있는데 그 중 대표적인 것이 line-intercept method이다. 단위 길이당 결정립계와의 교차점 수를 ni라 하면 결정립 크기 Di는 다음과 같다. 만약 직선의 개수를 N이라고 하면 N이 커질수록 측정한 결정립 크기는 재료의 평균 결정립 크기에 가까운 값을 가진다. 이 결정입도의 크기가 줄어들수록 금속의 강도 (strength)는 증가한다. 또한 연성 (ductility)에도 영향을 미치기 때문에 금속의 사용 목적에 따라 여러 방법으로 가공하기도 한다. 참고로 현미경 사진에서 금속 조직끼리 색이 다른 것은 빛을 반사하는 정도가 다르기 때문이다. 4. 시약 및 실험 기구 조사 ▶ 시약 HCl : 아연보다 금속 반응성이 작다 D.W : 증류 및 필터를 통해 제조된 증류수로써 용액 내 H2O 이외의 무기물, 미네랄 등을 전부 제거한 액체 HCl 10ml와 D.W 20ml를 이용해 에칭액을 제조한다. ▶ 기구 광학 현미경 아연 시편 1개 비커 1개 유리막대 1개 Sand paper(#220, #400, #800, #1000,

자연과학| 2022.03.03| 9페이지| 1,500원| 조회(397)

실험레포트, 화공생물공학기초실험, 금속조직학 및 미세조직 관찰

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고분자를 이용한 축전기(Capacitor)의 제작과 정전용량(Capacitance) 측정

1. 실험 제목 고분자를 이용한 축전기(Capacitor)의 제작과 정전용량(Capacitance) 측정 2. 실험 날짜 3. 실험 이론 전자 소자로 이용되는 축전기의 역할 및 구조, 원리를 이해하고 폴리비닐알코올(PVA)을 바 코팅을 통해 박막성형하여 축전기 제작한다. 제작한 축전기의 정전용량을 측정하고 정전용량에 대해 이해한다. [축전기의 정의와 원리] 축전기(Capacitor)란 전기 회로에서 두 금속에서의 정전기 유도 현상을 이용해 대전된 전하를 모아 저장하는 전기소자 장치이다. 이때, 축전기에 전하를 저장하는 것을 충전이라 한다. 보통 2장의 서로 절연된 금속판 또는 도체판(모양 상관 없음)을 전극으로 두고 그 사이에 절연체 또는 유전체를 넣은 구조이다. 이 실험에서는 절연 특성을 가지는 PVA를 바-코팅을 통해 박막성형하여 축전기를 만드는 것이며, PVA가 유전체 역할을 한다. 그렇게 만든 전기 회로에 전압을 걸면 축전기가 전원에 연결되어 충전된다. 전자는 한 도체판에서 다른 도체판으로 전선을 통해 이동하고 양 판에 모이는 전하량의 크기는 전압에 비례한다. 또한, 그 전하량의 크기는 같지만, 부호는 반대이다.(음극에는 (-)전하, 양극에는 (+)전하. 이후, 축전기의 전압과 전원의 전압이 같아지게 되면 전자의 이동이 멈춘다. 다음과 같이 설계한 후, 전원을 연결하면 ‘두 금속판의 전위차’와 ‘전지의 전위’가 동일해질 때까지, A에는 (+)전하가, B에는 (-)전하가 저장된다. [축전기의 구조] 구조 기호 가장 기본적인 축전기의 구조는 유전체로 분리된 2걔의 평행한 도체판(전도체)으로 구성된다. 도체판에는 도선들이 연결되어 있다. 유전체는 절연체로, 전기가 통하지 않지만 양쪽 전도체 사이의 자기장에 놓이게 되면서 극성을 띤다. 고유한 유전율에 따른 유전 상수만큼 전기장의 전위차는 감소하게 되고, 감소한 전위차에 해당하는 에너지를 저장한다. [축전기의 전하 저항] A도체판과 B도체판로 이루어진, 아직 대전되지 않은 중성의 축전기는 각 도체판에 같은 수의체판은 전자를 얻었기 때문에 음전하를 띤다. (이때 유의할 점, 충전 시 전자들은 연결된 전선과 전원을 통해서만 이동하고 유전체는 절연체이기 때문에 전자가 통과할 수 없다.) 이후, 두 도체판, 즉 축전기에 형성된 전압이 전원의 전압과 같아지면 전자의 이동이 멈추고 전원을 축전기에서 분리해도 일정 시간 동안은 전하를 저장하며 양 도체판의 전압은 일정하게 유지된다. 이를 가지고 충전된 축전기는 일시적인 전지로 수행할 수 있다. [축전기의 물리적 특성] 축전기의 형태와 재료는 축전기의 정전용량과 정격 전압에 영향을 미친다. 도체판의 면적 A과 판간 거리 d, 유전체의 유전 상수가 있다. 도체판의 면적이 커질수록 정전용량도 커지는 것이다. 도체판의 면적이라는 것도 유전체를 사이에 두고 서로 바라보는 두 개의 도체판의 겹치는 면적이 유효 판면적을 의미한다. 다음 그림과 같이 평판 축전기의 두 도체판의 크기는 같고 온전히 마주보고 있다. 그러나 그 다음 그림과 같이 하나의 도체판이 비스듬히 엇갈려 마주보고 있게 되면 겹치는 면적이 줄어들어 유효 판면적이 줄어들고 정전용량은 감소한다. 따라서 어떤 종류의 축전기는 이와 같은 방법으로 유효 판면적에 변화를 주어 정전용량을 변화시킬 수 있다. 판간 거리란 두 도체판의 사이 거리를 뜻한다. 다음 그림과 같이 판 사이의 거리가 가까울수록 정전용량은 증가하고 파괴전압(전기 소자에서 절연 파괴가 발생하는 데 필요한 전압)은 판간 거리에 비례하여, 감소한다. 모든 유전체는 축전기의 양 두 판이 (+), (-) 극성으로 대전된 사이에 전력이 집중되게 하여 에너지를 저장한다. 이때, 유전체의 유전상수(축전기의 두 전극 사이에 유전체를 넣었을 경우와 넣지 않았을 경우의 정전용량의 비율)가 높을수록 에너지를 저장할 수 있는 용량이 증가되고, 즉 정전용량이 높아진다. 진공의 유전상수를 1로 두고 이를 기준으로 다른 재료들의 고유의 유전상수를 가지게 된다. 기호로 라고 하며, 상대적인 값이기 때문에 단위는 없이 다음의 식으로 표현된다. 이 실험7.8배 크다. [정전용량] 정전용량(Capacitance)는 축전기가 저장할 수 있는 단위 전압 당 전하량, 즉 전하를 저장하는 축전기의 능력을 나타내는 척도이다. 따라서 축전기가 저장할 수 있는 단위 전압 당 전하 많을수록 정전용량은 증가한다. 축전기의 두 도체를 서로 떨어트려 놓아 두 도체에 +Q, -Q의 전하가 대전되면 두 사이에 전위차가 발생한다. 이때의 전위차이는 기본적으로 대전량 Q에 비례한다. 비례상수를 1/C로 놓아 C를 전기용량이 한다. 단위는 coulomb/volt인데, 이것을 주로 F(파라드; Farad)라고 한다. 그러나 보통 크기의 축전기의 용량 단위로는 값이 크기 때문에 μF나 pF 의 단위로 자주 이용된다. [정전용량 계산] 축전기의 물리적 특성에 따라 정전용량 C는 판의 면적 A와 유전상수 에 비례하고 판간 거리 d에 반비례한다. 식으로 나타내면 다음과 같다. 4. 시약 및 실험 기구 조사 [시약] Silver paste : 전도성 은 에폭시; 탁월한 전기전도성과 단단한 고전도성으로, 납땜을 하지 않고도 회로를 연결하거나 보수할 수 있는 에폭시이다. 저온에서 이용하기 때문에 고온에 약한 소재의 접접에 용이하고 대부분의 표면에 전도선 은색 선을 만들 수 있다. 증류수 폴리비닐알코올(PVA; Polyvinyl alcohol) : polyvinyl alcohol은 대표적인 수용성 합성고분자이다. 폴리아세트산비닐의 메탄올 용액에 수산화나트륨의 메탄올 용액을 가해 가열하면 흰 침전으로 생성된다. PVA의 15% 정도의 수용액을 가느다란 구멍을 통해 황산나트륨의 포화수용액 속으로 밀어내어 실로 만든 후, 포르말린(포름알데히드 37% 수용액)으로 아세탈화한 것이 합성섬유 비닐론이다. 주로 방직 포장 및 마감재, 접착제, 종이 구김방지 코팅제, 비닐 아세트산 및 염화비닐 중합과정의 현탁 물질, 라텍스 코팅 점증제, 분무 살충제 성분, TV관의 인광 색소, 사진 제판 과정 보조물질, 안면 마스크 화장품, 사진 필름, 종이 코팅의 안료 바인더로 사 Magnetic bar 저울 약수저 붓 테이프 Vical 일회용 스포이드 시약지 ITO glass: 도전성을 가진 산화인듐에 산화주석을 첨가하여 더욱 도전성을 높이고(ITO) 이를 용해하여 유리판에 뿌리거나, 유리판을 용액에 침전시키는 방법으로 투명한 전극막을 만든다. 투명전도성 필름이라고도 부른다. 5. 실험 결과 ▶ 결과 분석을 위한 참고 식 모음 ▶ 이론 값들과 실험 결과 ▶ 유전율과 정전용량의 결과값, 이론값 비교 ▶ 면적에 따른 정전용량의 변화 그래프와 경향성 이론과 마찬가지로 정전용량 C는 판의 면적 A에 비례하는 경향성이 있음을 확인할 수 있다. 6. 고찰 1. ITO부분은 왜 저항이 측정되고, glass 부분은 저항이 측정되지 않는 이유 multimeter로 저항값이 측정되는 부분이 ITO가 코팅된 부분이고 저항값이 측정되지 않는 부분이 glass라는 점을 이용하여 앞뒤를 구분할 수 있다. 이때, ITO glass에서 ITO 부분은 저항이 측정되지만, glass 부분은 저항이 측정되지 않는다. 그 이유는 ITO 부분은 전도성을 가지고 glass 부분으 절연성을 가지기 때문이다. 절연체는 저항에 대해 무한대값을 갖고, 전류가 흐르지 않는다. ITO에 대해 더 이야기하자면, 유기 전기발광 소자에서 양극으로 사용되는 ITO는 400~700nm의 가시 영역 파장에서 85% 이상의 투과도를 보이며 특히 550nm에서는 90%이상의 높은 투과도를 나타낸다. 또한 4 x 10-4 *m 정도의 낮은 전기 저항성을 나타내는데 이는 페르미준위가 전도대 보다 위에 치하여 운반자 밀도가 높기 때문이다. 이러한 특성들로 인하여 광 응용 분야에서 사용되고 있다. 2. 제작한 축전기의 정전용량을 측정하고 계산한 결과, 이론에 맞게 정전용량은 판의 면적에 비례한 것을 확인했다. 그러나 다음과 같이 오차가 발생하는 이유는 무엇인가? 이 실험은 [도체판(silver paste) | 유전체(PVA) | 도체판(ITO glass)]를 이루는 축전기를 제작하여 PVA 유전율의 이론용해 , 실험값은 , 정전용량의 이론값은 , 실험값은 10개의 측정값으로 평균을 내어 구할 수 있었다. 계산 결과, 면적의 차이만 있을 뿐 모두 같은 유전체인 PVA를 사용한 축전기였지만, 실험값들은 각 이론값과 큰 차이가 있음을 알 수 있다. 오차의 원인을 알아보자면, 일단 제조한 PVA 용액을 ITO glass에 떨어뜨리고 bar coating을 할 때, bar coater의 속도가 5mm/sec에서 일정하게 유지되지 않았다면 PVA용액의 코팅 두께가 균일하지 않았을 수 있다. 아니면 붓을 이용해 PVA 용액을 펴 바를 때, 오히려 붓에 의해 PVA가 가라졌을 수도 있다. 또는, bar coating을 할 때 사용하는 붓과 silver paste를 바를 때 사용하는 붓이 같았다면, 그 과정에서 유전체에 silver paste, 즉 도전체가 섞여 들어가 올바른 축전기가 만들어지지 않은 것이 오차의 원인일 수 있다. 마지막으로 유전율은 정해진 공식이 있긴 하지만, 전압을 준 시간, 온도, 주변 환경의 습도 등에 영향을 받는다. 따라서 실험 과정 중 이외의 여러 가지 변수가 있을 수 있기 때문에 이론값과 실험값 사이에 오차가 발생하는 것은 보편적인 일이긴 하다. 만약, 이러한 실험에서 여러 측정값 중 다른 값보다 너무 크거나 작은 값이 있다면 그러한 값은 최고, 최하 값들은 삭제한 후, 평균을 내는 방법을 이용해 오차를 줄일 수 있을 것이다. 7. 참고문헌 - 화공생물공학과 교수진, “2021-2 화공생물공학 기초실험”, 동국대학교, 2021, p. 53-58 - 김대수 외 4명, “고분자공학개론 제3판”, 자유아카데미, 2015, p. 78,379 - 연세대 물리학과 일반물리학 연구실, “Capacitors and Capacitance”, Ver. 20190926, p. 1-14 - 문대규, 한국공업화학회지 2006, 9권, 3호 “고분자 유기반도체를 이용한 박막트랜지스터 기술”, p.1-7 - 오영민, 경북대학교 “유전체 삽입 시, 축전기 전기용량의 시간적 4

자연과학| 2022.03.03| 9페이지| 1,500원| 조회(318)

고분자, 축전기, Capacitor, 정전용량, 화공생물공학기초실험

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반응열 측정과 Hess의 법칙 A+

1. 실험 제목 반응열 측정과 Hess의 법칙 2. 실험 날짜 3. 실험 이론 고체 수산화나트륨과 염산의 중화반응을 한 단계 및 두 단계로 진행시켜 각 단계의 반응열을 측정하고 Hess의 법칙을 이용하여 확인하며 반응열과 Hess의 법칙을 이해한다. [상태함수 엔탈피] ‘계(system)’는 관찰 하고 있는 대상이고 ‘주위(surrounding)’는 이러한 계 이외의 모든 (바깥) 환경이다. 이러한 계와 주위를 합쳐 ‘우주(universe)’라고 한다. 상태함수는 열역학적 계에서 그 계의 상태와 관련하여 열역학적 양을 뜻한다. 오직 계의 현재 상태만 고려하기 때문에 계의 상태가 변하는 과정은 신경 쓰지 않고 계의 초기 상태와 최종 상태만 고려한다. 상태함수로는 에너지, 온도, 압력, 부피, 엔탈피 등이 있다. 엔탈피(H)은 일정한 압력에서, 계에서 주위로 나가는 일 에너지와 계의 내부 에너지의 합이다. ∆H (반응 엔탈피) = H생성물 - H반응물 [반응열] 화학반응은 일반적으로 에너지, 열의 출입이 수반하여 방출 또는 흡수되는 열이 존재한다. 반응열이 방출(주변 온도 상승)될 때 발열반응, 흡수(주변 온도 하강)될 때 흡열반응이라고 한다. 보통 발열반응은 양의 값으로 나타내고, 흡열반응은 음의 값으로 나타내는데, 반응열은 반응물과 생성물의 에너지 차이를 뜻하는 것으로(H생성물 - H반응물), 발열반응은 ∆H < 0이고 흡열반응은 ∆H > 0이다. 반응열은 반응 종류에 따라 중화열, 생성열, 분해열, 연소열, 용해열 등이 있다. 추가적으로, 융해열, 승화열, 기화열, 증발열 등은 변환열(온도 상승의 변화 없이 단순히 물질의 상태를 바꾸는 데 필요한 열)에 해당된다. 반응열을 측정하기 위해선, 외부 계와의 에너지 교환이 차단되는 특별히 제작된 열량계를 이용해야 한다. 발열반응 흡열반응 엔탈피 감소 (H생성물 < H반응물, ∆H < 0) 열을 방출하고 주변의 온도는 상승한다 엔탈피 감소 (H생성물 > H반응물, ∆H > 0) 열을 흡수하고 주변의 온도는 하강한다.씩 중화시킬 때의 반응열이다. 중화반응이란 산과 염기가 반응하여 물과 염을 생성하는 하는 반응으로 대부분 주위에 열을 방출한다. 생성열 일정한 압력일 때 각 원소의 홑원소물질로부터 한 화합물 1mol을 만들 때 흡수 또는 발생하는 열량이다. 성분 원소의 총합 엔탈피에서 화합물의 엔탈피를 뺀다. 분해열 1mol의 한 화합물을 분해할 때 관여하는 에너지이다. 생성열과 비슷한 의미지만 부호가 반대이다. 물질은 분해열이 클수록 분해하기 어렵다. 표준 생성열을 이용해 구한다. 연소열 어떤 물질 1mol 또는 1g이 완전 연소할 때 발생하는 열량 또는 발열량이다. 반드시 발열이며, 이 값이 클수록 연료로서 효과적이다. 용해열 물질 1mol이 충분한 용매에 완전히 용해될 때 출입하는 열을 용해열이라고 한다. 물질은 용해할 때 항상 열의 출입이 따른다. 용질은 일정한 압력과 온도에서 용매 안으로 확산되어 균일하게 섞인다. [열량계 종류 – 봄베 열량계] 봄베 열량계는 단열된 통 속에 물을 채우고 물 속에 밀폐된 연소실에서 물질을 연소시켜 그때 발생하는 열량을 측정하는 장치로, 통 열량계라고도 부른다. 강철로 만든 반응 용기(봄베)를 물 속에 잠기게 하여 용기 내에서 발생하는 열이 대부분 주변의 물에 흡수되어, 열 손실을 최소화하는 장점이 있다. 따라서 봄베 열량계에서 발생된 열량은 물과 열량계가 흡수한 열량과 같다. 주로 기체가 관여하는 반응에 이용되고 특히, 연소에 의한 발열량을 측정하는 데 이용되기 대문에 연소 열량계라고도 한다. 열량 계산 시, 비열 대신 열용량(물질 1’C를 높이는 데 필요한 열량)을 이용한다. 계산식: (물의 열용량 + 열량계의 열용량) X (물의 온도 변화(∆T)) [헤스의 법칙] Hess‘ law는 1840년, 스위스 출신의 러시아 화학자 G. H. Hess가 에너지 보존법칙을 화학변화에 적용하면서 만들어졌다. 바로, 화학변화에서 발생 또는 흡수되는 열량은 변화의 시작과 종료의 상태로서 정해지고, 그 과정에는 관계하지 않는다는 열역학 제1 법칙이말해, 물질이 반응하며 상태가 바뀌는 과정에서 일어나는 변화 방법은 여러 가지지만 최종 생성물이 같다면, 한 단계로 진행되든 여러 단계를 거쳐 일어나든 상관없이, 반응의 총 엔탈피 변화는 항상 일정하다는 것이다. 이는 엔탈피가 상태함수이기 때문에 성립되는 것이다. 따라서 이 실험에서는 고체 수산화 나트륨과 염산의 중화반응과 이를 두 단계(1단계: 고체 수산화 나트륨과 물 용해, 2단계: NaOH 수용액과 염산의 중화반응)로 나누어 반응을 시켰을 때의 반응열들을 조사하여 Hess‘ law이 성립함을 보인다. [고체 수산화나트륨과 염산과의 중화반응 반응식] ∆H1: 고체 수산화 나트륨과 염산의 중화반응 ∆H2: 고체 수산화 나트륨과 물 용해(수용액) NaOH(s) + H+(aq) + Cl-(aq) → H2O(l) + Na+(aq) + Cl-(aq) NaOH(s) → Na+(aq) + OH-(aq) ∆H1 = ∆H2 + ∆H3 ∆H3: NaOH 수용액과 염산의 중화반응 Na+(aq) + OH-(aq) + H+(aq) + Cl-(aq) → H2O(l) + Na+(aq) + Cl-(aq) 4. 시약 및 실험 기구 [시약] HCl NaOH [기구] 삼각플라스크 메스플라스크 눈금 실린더 비이커 온도계 저울 플라스틱 휴지통 솜 보온재 5. 실험 결과 1. 실험 결과 데이터 2. 계산 방법 및 과정, 결과 다음의 식들을 이용하여 각 반응의 반응열을 계산하고 ∆H1 = ∆H2 + ∆H3인지 확인한다. • 용액의 무게(g) = 비커와 용액의 무게(g) − 플라스크의 무게(g) • 온도 변화(℃) = 상승한 최고온도(℃) – HCl 용액의 온도(℃) • NaOH 몰 수(mol) = NaOH의 무게(g) X (1mol / NaOH의 분자량 40g) • 몰 수(mol) = 몰농도(M) X 용액의 부피(L) • 비커에 의해 흡수된 열량(J) = 플라스크의 무게(g) X 온도변화(℃) X 플라스크 비열(J/g℃) • 용액에 의해 흡수된 열량(J) = 용액의 무게(g) X 온도변화(℃) XJ) = −(비커에 의해 흡수된 열량(J) + 용액에 의해 흡수된 열량(J)) • NaOH 1mol 당 반응열(J/mol) = 총 방출된 열량(J) / NaOH 몰 수(mol) 실험 결과, ∆H1 = -55,886.13, ∆H+∆H3 = -130,065.74가 도출되었다. 이와 같은 결과는 헤스의 법칙, ∆H1 = ∆H2 + ∆H3에 성립되지 않는다. 실험 결과가 이론, 법칙과 다르게 나온 이유에 대해 고찰에서 분석한다. 6. 고찰 1. ∆H1, ∆H2, ∆H3의 이론값과 실험값이 서로 다르며, ∆H1 = ∆H2 + ∆H3도 성립하지 않았다. 실험 결과가 이론과 다르게 나온 이유, 즉, 오차에 대해 분석한다. 1) NaOH은 성질 중 하나인 조해성이 강하다. 이로 인해 2g의 무게를 잴 때 소량의 NaOH가 종이에 달라붙어 반응에 참여하지 못하였을 가능성이 크다. 조해성이란 공기 중으로 노출된 고체가 주위의 풍부한 수분을 끌어와 그 수분에 의해 녹아 용액이 되는 성질이다. NaOH와 더불어 KOH, CaCl2, MgCl2 등 몇몇 물질들에서만 나타나는 성질로, 실생활에서는 여름에 습기 제거제 또는 빙판길의 얼음을 녹이는 데에 이용된다. 2) 눈금실린더에서 용액의 부피를 재고 비커로 옮기 때 용액이 전부 옮겨지지 못하고 눈금실린더 내부에 남아 계산에 오차가 생겼을 수 있다. 3) 비커와 용액 이외에 열량계의 금속 막대 또는 온도계 등의 다른 실험기구가 열을 흡수하였을 수도 있고 이동 시에나 열량계의 뚜껑부위가 완전히 단열되지 않아 공기 중으로 열 손실이 생겨 오차가 발생한 것일 수도 있다. 2. 일정 압력 열량계와 일정 부피 열량계를 비교하여 각각의 용도에 대해 조사하고 이 실험에서 일정 압력 열량계(간이 열량계: 오차가 큼)을 이용하는 이유를 알아본다. 일정 압력 열량계 ✓PICK 일정 부피 열량계 용기의 뚜껑이 느슨하게 되어 있어 열량계 내부가 대기압으로 일정하게 유지된다. 부피를 정확히 아는 두 용액을 섞어, 반응에 의해 발생하는 열의 출입을 측정하여 엔탈 열량계 속의 용액이 흡수하여 열 손실이 없다고 가정하지만, 열량계 뚜껑이 느슨하여 기체가 발생하는 반응에는 적합하지 않으며, 정밀도가 많이 떨어진다. 따라서, 간이 열량계는 간단한 구조로, 사용하기 쉬우며, 주로 중화 반응이나 용해 반응과 같은 비연소 반응에 사용한다. 매우 튼튼한 금속 용기로 사용하여 생성물이 밖으로 빠져나가지 못한다. 밀폐 용기같이 압력 변화는 있어도 계의 부피(열량계 내부 통의 부피)가 일정하게 유지된다. 따라서, 주로 연소반응과 같은 격렬한 반응 시, 열 손실 없이 반응열을 정확히 측정하는 데 사용한다. 반응물이 들어 있는 통을 산소로 채우고 외부에서 전기적으로 시료를 연소시킨다. 이때, 통이 열량계 안 물속에 담겨 있어, 화학 반응에서 발생한 열량은 열량계 속 물과 통 열량계가 모두 흡수한다고 가정하여 열의 출입을 측정하고 내부에너지 변화를 결정한다. 일정 압력 열량계는 간이 열량계라고도 하듯, 간단한 방법으로 열의 출입을 측정할 수 있다. 따라서, 이와 같은 간단한 실험에서 사용하기 간편하다. 또한, 이 실험에서는 연소반응과 같이 격렬한 반응이 일어나는 것도 아니기 때문에 굳이 정밀도를 높이기 위해, 복잡하게 일정 부피 열량계를 사용할 것까진 아니기 때문에 편리한 일정 압력 열량계(간이 열량계)를 이용하는 듯하다. 7. 참고문헌 - 화공생물공학과 교수진, “2021-2 화공생물공학 기초실험”, 동국대학교, 2021, p. 48-50 - John E. McMurry • Robert C. Fay, [일반화학 Atoms First 제 2판], 자유아카데미, 2014년도 - 동국대학교 화학과 화학실험실 편저, [일반화학실험], 녹문당, 2020년도, 57~59쪽 - 유주현 외 3명, 추계학술발표회 논문집 (1996)-“가연성가스의 반응열을 이용한 밀폐용기 내에서의 폭발특성 추정에 관한 연구”, 한국산업안전학회, p. 127-131 - 이윤석 외 1명, 대한환경공학회지 v.10 n.3(1988-12)-“반응열을 이용한 슬러지의 고온 호기성소80

자연과학| 2022.03.03| 7페이지| 1,500원| 조회(885)

수산화나트륨, 반응열 측정, hess의 법칙, 화공생물공학기초실험, 반응열 측정..

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미생물 비성장속도 측정 A+

1. 실험 제목 미생물 비성장속도 측정 2. 실험 날짜 3. 실험 이론 [Lambert-Beer 법칙] 1) Beer 법칙 : 기체나 용액 시료에 빛을 쪼였을 때, 흡광도는 빛을 흡수하는 화학종의 몰농도에 비례한다. 따라서, 용액에 대한 빛의 투과도는 용액의 농도에 반비례한다. → log(I/I0) = Kc (I0: 입사광의 세기, I: 투과광의 세기, c: 용액의 농도, Kc: 흡광계수) 2) Lambert 법칙 : 기체나 용액 시료에 빛을 쪼였을 때, 입사광의 세기와 투과광의 세기의 비율은 흡수층의 두께에 비례한다. 따라서, 용액에 대한 빛의 투과도는 용액의 두께에 대해 반비례한다. → log(I/I0) = - ad(a: 흡광계수, d: 용액층 두께) 3) Lambert-Beer의 법칙 : Beer 법칙과 Lambert 법칙에 따라 log(I/I0)는 용액층의 두께에 비례, 용액의 농도 c에 비례한다. → log(I/I0) = -a(dc) (a: 흡광계수, d: 용액층 두께, c: 용액의 농도) 투과도 T = I/I0 , 흡광도 A(O.D.) = logI0 /I = a(dc) 따라서, 흡광도 A(O.D.)는 용액층의 두께와 농도에 대하여 비례하고 이 실험에는 YM 배지의 흡광도(O.D.)가 배지 속 균체의 농도에 비례한다. 이것을 이용하여 균체를 접종하기 전의 O.D.를 0으로 조절한 후 배지 속에서 균체를 성장시켜 O.D.를 구한다. 실험에서 측정한 O.D.를 기반으로 가로축에는 균체의 양, 즉 균체의 농도, 세로축에는 측정한 O.D.값을 plot하여 그래프를 작성한다. 일반적으로 O.D.는 0.2에서 0.8 내의 범위이며 작성한 그래프는 일차함수, 직선이다. 따라서 희석법을 겸용하여 0.2 – 0.8 범위 내의 O.D. 측정된다면, 이 일차함수를 이용해 배지(배양액) 속 균체의 수를 알 수 있다. [Monod 식] Monod 식은 미생물의 성장을 기술하는 수학적 모형으로, 액체 배지 속 미생물의 성장과 제한요인의 농도 사이의 관계를 표현한 식이다. MiS가 생장을 제한하는 것으로 한다. 즉, S의 증가는 미생물의 생장 속도에 영향을 끼칠 뿐, 다른 영양소의 농도에는 영향을 끼치지 않는다. [Biomass yield] biomass yield(세포 수율)은 소비된 기질량에 대한 생성균체량의 비율이다. 균체수율은 기질의 종류, 균종에 따라 값의 변동이 큰데, 주로 그 차이는 에너지생성효율의 차이에 의거한다. 즉, ATP 생산이 큰 대사를 받은 경우, 호기적 조건에서 가능한 한 고에너지 물질을 기질로 할수록 biomass yield도 높아진다. 식은 다음과 같다. x – x0 = Yx/s *Yx/s: 기질 소모량에 대한 생성된 균체의 양의 비(biomass yield), x0: 초기 균체량, x= 배양 후 균체량, S0: 기질의 농도, S: 배양 후 기질의 농도 예) 포도당 1g이 소모되어 만들어진 0.5g의 세포 건조중량 Yx/s = 0.5 [미생물 생장곡선] 미생물 생장곡선은 미생물의 생장(증가량)을 시간에 따라 측정하여 그래프로 표시한 것이다. 미생물의 개체수는 공간과 영양분의 부족이 없다면 무한증식이 가능할 것이라는 예상과 달리, 여러 환경적 요인에 의해 미생물의 증식은 둔화하거나 정지하여 시그모이드형을 그린다. 이 생장곡선은 처음 생세포수가 증가하지 않는 유도기, 배양시간에 따라 대수적으로 증식하는 대수기, 총 세포수가 일정하게 유지되는 정상기, 생세포수가 감소하는 사멸기로 나뉜다. 1) Lag phase 유도기 유도기는 처음 배양액에 접종하고 난 후 세포 수의 증가 없이, 증식을 위해 준비, 적응하는 시기이다. 이 시기에는 온도, 영양성분, pH, 식염, 수분 등을 확인하여 필요한 효소나 필수 보조인자(ATP, 리보솜 등)을 새로이 합성하며 환경 변화에 적응한다. 따라서 유도기의 길이는 균과 배지의 상태에 따라 달라진다. 예를 들어 냉장 보관 후나 오래된 배지에서 배양할 경우 배양 시간이 길어진다. 2) Log phase 대수기 세포에 생장에 필요한 요소들을 축적하게 되면 유도기가 끝나고 세포분열이 진) Death phase 사멸기 정체기가 지나고 세포의 사멸속도가 증식속도보다 급격히 빨라짐으로 인해 나타나는 생균수가 감소하는 시기이다. 영양물질이 고갈되고 배출된 물질이 증가하며 여러 불리한 환경변화로 인해 세포가 사멸하여, 살아 있는 세포 수가 감소한다. [YM(Yeast Malt) 배지] 복합배지란 미생물의 성장에 필요한 다양한 영양 물질의 혼합체를 섞어 만든 배지이다. YM배지는 복합 배지에 속한다. 일반적으로 실험실에서 YM배지는 순수분리와 배양을 위해 이용된다. Dextrose(포도당), peptone, yeast extract, malt extract로 구성되어 있으며 주로 효모를 비롯한 곰팡이와 방성균 배양에 사용된다. YM 배지의 성분 (w/v) 비율 역할 Yeast extract 0.375% X 4 3 미량원소, 비타민과 아미노산의 원료 Malt extract 0.375% X 4 3 탄소, 단백질과 영양분의 원료 Peptone 0.625% X 4 5 추가적인 탄소원 / 질소와 아미노산 제공 Dextrose 2.5%-12.5% X 1 5-25 탄소 제공(대표적으로 glucose, sucrose) 4. 시약 및 실험 기구 조사 ▶ 시약 Peptone Yeast extract YM 배지의 성분 Malt extract Glucose Dried yeast ▶ 기구 삼각플라스크 알루미늄호일 알코올램프 70% 에탄올 Micropipette and Micropipette tip Autoclave(고압증기멸균기) : 기내를 고온, 고압의 수증기로 채움으로써 기내에 둔 물질을 빠른 속도로 멸균하는 장치이다. 보통 120’C, 1.2-1.5kg/cm2의 조건하에 10-20분간 유지하면 멸균된다. 이 실험에서는 제조한 BCP, MRS 배지용액과 NaCl 희석용액을 121’C에서 15분간 멸균한다. 진탕배양기 : 미생물이나 동식물세포를 접종한 액체배지를 흔들어 움직이면서 배양하는 장치이다. UV spectrophotometer(UV 분광광도계) : 광원에서의 빛을드 반응(Maillard reaction)을 방지하기 위해서이다. 메일라드 반응이란 열 또는 화학처리에 의해 아미노산의 아미노기와 탄수화물의 환원당이 반응하여 갈색 색소를 만들어 내는 현상이다. YM 배지의 구성 성분에는 yeast extract가 있고 이 물질에는 효모의 펩타이드와 아미노산이 포함되어 있다. 따라서 YM 배지의 탄소원인 glucose를 제조한 용액(나머지 YM 배지 구성 성분)과 혼합한 후, 고온의 autoclave 과정을 거친 다면, glucose는 변성되고 갈색 색소가 생성되어 배지가 갈색을 띠게 된다. 이와 같은 메일라드 반응을 방지하기 위해 glucose와 제조한 용액은 별개로 autoclave한 후에 혼합해야 한다. 2. 제조한 용액과 Glucose 용액을 4:1로 섞었을 때, 플라스크 5개 각각의 Glucose 농도 Dextrose를 위해 만든 glucose 용액은 각 2.5%, 5%, 7.5%, 10%, 12.5% 농도로 50ml씩 제조되었으므로 각 1.25g, 2.5g, 3.75g, 5g, 6.25g의 glucose가 사용되었다. 이후, 제조한 용액과 glucose 용액을 4(40ml) : 1(10ml) 비율로 총 50ml가 되도록 섞었으므로 각 glucose 농도는 다음 표와 같다. Glucose 용액의 농도 제조 용액과 glucose 용액 혼합 후, 플라스크 안 glucose 농도 1 2.5% (w/v) 2 5% (w/v) 3 7.5% (w/v) 4 10% (w/v) 5 12.5% (w/v) 3. Glucose의 농도별로 생장곡선을 그린 후, 5개의 생장 곡선의 기울기를 이용하여 비성장속도 구하기. ▶ 실험값 생장곡선은 시간에 따른 흡광도의 변화를 나타내고 추세선의 기울기가 그 변화 정도이며, 이를 이용해 비성장속도를 알 수 있다. 따라서 실험 값으로 얻은 그래프로부터 비성장속도를 도출하고 이를 Monod 식으로 계산하였을 때의 비성장속도 이론값과 비교한다. Glucose 용액의 농도 생장곡선의 추세선 비성장속도(=추세선의 % (w/v) 5 2.1081 0.4774 2 5% (w/v) 10 2.0621 0.4849 3 7.5% (w/v) 15 2.0468 0.4886 4 10% (w/v) 20 2.0391 0.4904 5 12.5% (w/v) 25 2.0345 0.4915 두 표의 비성장속도값을 비교했을 때, 실험결과의 오차가 발생하였을 알 수 있다. 오차 발생 원인으로는 큐벳에 이물질이 묻어 있어, 용액의 비탁도 결과 값에 영향을 끼쳤을 수 있다. 실험 중, 큐벳을 사용할 땐, 지문이나 이물질이 묻지 않도록 깨끗하게 관리한다. 또한, 실험 환경이 완벽한 멸균 상태가 아님에 영향을 받았을 수 있다. 미생물이 오염이 발생하지 못하도록 autoclave 멸균 처리를 완벽히 하고 모든 실험은 clean bench에서 진행하며 실험에 사용되는 모든 실험 기구들은 알코올로 소독하는 등, 최대한의 멸균 실험 환경을 조성하도록 노력한다. 4. Monod 식을 역수로 뒤집은 식이 일차함수 꼴로 나타나는데, 이 일차함수의 기울기(μm/Ks)를 이론에서 주어진 값이 아닌 실험적으로 계산하여 구할 방법 Lineweaver-burk plot은 미카엘리스-멘텐의 효소반응속도식으로, 기질의 농도에 따른 효소의 초기 반응 속도를 정량적으로 나타내는 식이다. Lineweaver-burk 식은 이 미카엘리스-멘텐식을 변형하여 구한다. 따라서 기질의 농도와 반응속도를 안다면, Lineweaver-burk 식을 이용하여 (1/기질의 농도), (1/반응속도)에 대한 그래프를 표시하고 추세선을 이용하면 기울기와 y절편을 알 수 있고, 그것은 결국 최대반응속도와 미카엘리스 상수를 알 수 있는 것이다. Monod 식은 다음과 같고 이를 역수로 표현했을 때, 이 실험에서는 monod 식을 이용할 때 이론적으로 고정된 값, , 를 대입하여 생장곡선의 기울기를 구했다. 그러나 위와 같이 Monod식과 Lineweaver-burk 식를 비교해봤을 때, Lineweaver-burk 식을 통해서도 똑같이 일차함수가 도출되며 기울기16

자연과학| 2022.03.03| 10페이지| 1,500원| 조회(1,614)

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