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톰슨 원자 모형 배경
19세기 내내 화학 및 통계역학의 증거가 축적되어 물질이 원자로 구성되어 있다는 것이 밝혀졌다. 원자의 구조에 대한 논의가 있었고, 세기말에는 제1대 켈빈 남작 윌리엄 톰슨이 1867년에 제안한 원자의 소용돌이 이론이 주요 모형이었다.:175 1890년까지 J.J. 톰슨은 "성운 원자" 가설이라고 불리는 자신만의 버전을 가지고 있었는데, 이 가설에 따르면 원자는 비물질적인 소용돌이로 구성되어 있으며 소용돌이의 배열과 화학 원소들 사이에서 발견되는 주기적인 규칙성 사이에 유사성을 제시했다.
톰슨이 1897년에 전자를 발견하면서 그의 견해가 바뀌었다. 톰슨은 이들을 "코퍼스클(corpuscles)"(입자)이라고 불렀지만, 그들은 1891년에 G. J. 스토니가 "전기의 기본 단위량"을 위해 만들어낸 이름인 "전자"로 더 일반적으로 불렸다. 그러나 1899년 후반까지도 아원자 입자를 믿는 과학자는 거의 없었다.:I:365
톰슨 원자 모형 배경
19세기에 또 다른 중요한 과학적 주제는 방사능의 발견과 연구였다. 톰슨은 음극선을 연구하여 전자를 발견했고, 1900년 앙리 베크렐은 우라늄에서 나오는 방사선, 현재 베타 입자라고 불리는 것이 음극선과 동일한 전하/질량 비를 가진다는 것을 밝혀냈다.:II:3 이 베타 입자들은 고속으로 이동하는 전자라고 여겨졌다. 이 입자들은 톰슨이 원자 이론의 증거를 찾기 위해 원자를 탐색하는 데 사용되었다. 이 원자 모형 시대에 중요한 다른 형태의 방사선은 알파 입자였다. 베타 입자보다 무겁고 느린 이들은 러더퍼드가 톰슨 모형에 반하는 증거를 찾는 데 사용된 핵심 도구였다.
새롭게 등장하는 원자론, 전자, 방사선 외에도 역사상 마지막 요소는 19세기 후반에 발표된 원자 스펙트럼에 대한 수많은 연구였다. 소용돌이 모형의 매력 중 하나는 전자기 복사에 대한 진동 반응으로서 스펙트럼 데이터를 설명하는 데 가능한 역할이었다.:177 톰슨의 모형도, 그 후속인 러더퍼드의 모형도 원자 스펙트럼을 이해하는 데 진전을 이루지 못했다. 이는 닐스 보어가 최초의 양자 기반 원자 모형을 만들 때까지 기다려야 했다.
톰슨 원자 모형 발전
톰슨의 모형은 원자에 특정한 내부 구조를 부여한 최초의 모형이었다.:9 비록 그의 초기 설명에는 수학 공식이 포함되어 있지 않았지만.
1897년부터 1913년까지 톰슨은 원자에 대한 일련의 점점 더 상세한 다전자 모형을 제안했다.:178 그의 첫 버전들은 1906년 논문과 후속 요약에서 정성적인 내용을 정점으로 삼았다. 톰슨의 모형은 초기 발표 과정에서 변화하여, 정적인 구조라기보다는 양전하의 밀집된 장에서 전자가 회전하는 훨씬 더 이동성이 있는 모형이 되었다. 톰슨은 여러 원소에 대해 실험적으로 알려진 주요 스펙트럼선 중 일부를 설명하기 위해 자신의 모형을 재구성하려 시도했지만 실패했다.
톰슨 원자 모형 발전
음극선이라는 제목의 논문에서 톰슨은 음극선이 빛이 아니라 자신이 코퍼스클이라고 부르는 음전하를 띤 입자로 이루어져 있음을 증명했다. 그는 음극선이 전기장과 자기장에 의해 휘어질 수 있다는 것을 관찰했는데, 이는 빛에서는 일어나지 않는 현상이었다. 이 긴 논문의 끝 부분 몇 단락에서 톰슨은 원자가 이 코퍼스클로 구성될 가능성에 대해 논의하며 이를 원초 원자라고 불렀다. 톰슨은 음극 주변의 강한 전기장이 주변 기체 분자를 구성 코퍼스클로 분리시켜 음극선을 생성한다고 믿었다. 톰슨은 이로써 원자가 분할될 수 있다는 증거를 제시했지만, 이 시점에서 그 구조를 설명하려 시도하지는 않았다.
톰슨 원자 모형 발전
톰슨은 원자가 분할될 수 있다고 제안한 최초의 과학자가 아니라는 점을 언급하며, 1815년에 여러 원소의 원자량이 수소 원자량의 배수임을 발견하고 모든 원자가 수소 원자가 융합되어 만들어졌다고 가설을 세운 윌리엄 프라우트를 언급했다. 프라우트의 가설은 1830년대에 일부 원소가 정수가 아닌 원자량을 가지는 것으로 밝혀지면서 화학자들에게 기각되었다. 예를 들어, 염소는 약 35.45의 원자량을 가진다. 그러나 이 아이디어는 과학자들의 흥미를 계속 끌었다. 이러한 불일치는 1912년 동위 원소의 발견으로 결국 설명되었다.
톰슨의 논문이 발표된 지 몇 달 후, 조지 프랜시스 피츠제럴드는 톰슨이 음극선에서 확인하고 원자의 일부로 제안한 코퍼스클이 물리학자 조지프 라모어와 헨드릭 로런츠가 설명한 "자유 전자"라고 제안했다. 톰슨은 이 용어를 채택하지 않았지만, 이 연결은 다른 과학자들에게 음극선이 입자라는 것을 확신시켰고, 이는 아원자 입자를 기반으로 한 원자 모형의 궁극적인 수용에 중요한 단계였다.
톰슨 원자 모형 발전
1899년 톰슨은 금속에 자외선이 닿았을 때 생성되는 음전기(현재 광전 효과로 알려짐)가 음극선과 동일한 질량 대 전하 비를 가진다는 것을 보여주는 논문에서 자신의 원자 모형을 다시 강조했다. 그런 다음 그는 이전에 이온의 전하를 결정하는 데 사용했던 방법을 자외선으로 생성된 음전하 입자에 적용했다.:86 그는 전자의 질량이 수소 이온의 0.0014배(분수로 ⁠1/714⁠)라고 추정했다. 이 논문의 결론에서 그는 다음과 같이 썼다.
나는 원자가 수많은 작은 몸체들을 포함하고 있다고 생각하며, 나는 이것들을 코퍼스클이라고 부를 것이다. 이 코퍼스클들은 서로 같으며, 코퍼스클의 질량은 저압 기체 속 음이온의 질량, 즉 약 3 × 10−26 그램이다. 정상 원자에서, 이 코퍼스클들의 집합은 전기적으로 중성인 시스템을 형성한다. 음전하 효과는 코퍼스클들이 퍼져 있는 공간이 코퍼스클의 음전하 총합과 같은 양전하를 띠는 것처럼 작용하게 하는 어떤 것에 의해 상쇄된다.
톰슨은 1904년 논문 <원자의 구조에 대하여>에서 원자에 대한 첫 상세한 설명을 제공했다.
톰슨은 자신의 모형에 대한 짧은 설명으로 시작한다.
톰슨 원자 모형 발전
... 원소의 원자는 균일한 양전기의 구 안에 갇힌 다수의 음전하를 띤 미립자로 구성된다 ...
주로 전자에 초점을 맞춘 톰슨은 1년 전 켈빈의 원자 모형에서 제안된 양전하 구를 채택했다.
그는 이어서 그러한 시스템에 대한 상세한 역학적 분석을 수행하며, 전자들을 원형 고리 주위에 균일하게 분포시켰다. 양전하의 인력은 전자들의 상호 반발력에 의해 균형을 이룬다. 그의 분석은 안정성에 초점을 맞추며, 위치의 작은 변화가 복원력에 의해 상쇄되는 경우를 찾았다.
안정성에 대한 그의 많은 공식들을 논의한 후, 그는 안정적인 구성의 다양한 동심원 고리에 있는 전자들의 수에서 나타나는 패턴들을 분석하기 시작했다. 톰슨은 이러한 규칙적인 패턴들이 주기율표의 구조 뒤에 있는 화학의 주기율과 유사하다고 주장했다. 아원자 입자에 기반한 모형이 화학적 경향을 설명할 수 있다는 이 개념은 톰슨의 모형에 대한 관심을 불러일으켰고, 톰슨의 전자 배치 세부 사항이 부정확한 것으로 밝혀졌음에도 불구하고 미래의 작업에 영향을 미쳤다.:135
톰슨 원자 모형 발전
톰슨은 이 시점에서 원자의 모든 질량이 전자에 의해 운반된다고 믿었다. 이는 작은 원자조차도 수천 개의 전자를 포함해야 하며, 그들을 감싸는 양전하에는 질량이 없다는 것을 의미한다.
1905년 영국 왕립 연구소에서 행한 강연에서 톰슨은 양전하 구 내부의 수많은 전자의 움직임을 계산하는 것이 너무 어려워서 실용적인 실험을 제안했다. 이 실험은 자화된 핀을 코르크 원반에 박고 물이 담긴 대야에 띄우는 것이었다. 핀들은 서로 반발하도록 배열되었다. 대야 중심 위에는 핀들을 끌어당기는 전자석이 매달려 있었다. 핀들이 취한 평형 배열은 톰슨에게 원자 내 전자들이 어떤 배열을 취할 수 있는지 알려주었다.
예를 들어, 그는 다섯 개의 핀은 중심 주위에 안정적인 오각형을 형성하지만, 여섯 개의 핀은 안정적인 육각형을 형성할 수 없다는 것을 관찰했다. 대신, 한 핀이 중심으로 이동하고 나머지 다섯 개의 핀이 중심 핀 주위에 오각형을 형성했으며, 이 배열이 안정적이었다. 핀을 더 추가할수록, 그들은 중심 주위에 동심원 고리를 형성했다.
톰슨 원자 모형 발전
이 실험은 3차원 대신 2차원에서 작동했지만, 톰슨은 원자 내 전자들이 동심원 껍질에 배열되며, 이 껍질 내에서 움직일 수 있지만, 원자에 전자가 추가되거나 제거될 때를 제외하고는 한 껍질에서 다른 껍질로 이동하지 않는다고 추론했다.
1906년 이전 톰슨은 원자량이 전자의 질량(그는 계속해서 "코퍼스클"이라고 불렀다) 때문이라고 생각했다. 그 자신의 전자 질량 추정치에 따르면, 원자의 질량을 설명하기 위해서는 원자에 수만 개의 전자가 필요할 것이었다. 1906년 그는 X선 산란, 베타선 흡수, 또는 기체의 광학적 특성이라는 세 가지 다른 방법을 사용하여 "코퍼스클의 수가 원자량과 크게 다르지 않다"고 추정했다.:{{{1}}} 이는 전자의 수를 수십 개 또는 많아야 수백 개로 줄였고, 이는 다시 톰슨 모형의 양전하 구가 원자 질량의 대부분을 포함하고 있음을 의미했다. 이것은 톰슨의 1904년 기계적 안정성 연구와 주기율표와의 비교가 더 이상 유효하지 않다는 것을 의미했다.:186 또한, 러더퍼드의 원자 이론에 대한 다음 진전에 매우 중요한 알파 입자는 더 이상 수천 개의 전자를 포함하는 원자로 간주되지 않을 것이었다.:269
톰슨 원자 모형 발전
1907년 톰슨은 <물질의 미립자 이론>을 발표하여 원자 구조에 대한 자신의 생각을 검토하고 추가 연구 방향을 제시했다.
6장에서는 물 속에서 자화된 핀을 사용한 자신의 실험을 더욱 상세히 설명하며 확장된 표를 제공했다. 예를 들어, 59개의 핀이 물웅덩이에 놓이면, 그들은 20-16-13-8-2 순서(가장 바깥쪽에서 가장 안쪽으로)의 동심원 고리에 배열될 것이다.
7장에서 톰슨은 원자 내 전자의 수에 대한 1906년 결과를 요약했다. 그는 한 가지 중요한 수정을 포함했는데, 베타 입자 분석을 아우구스트 베커의 음극선 실험을 기반으로 한 것으로 대체하여 문제에 대한 다른 접근 방식과 더 잘 일치하는 결과를 얻었다.:273 이 분야의 다른 과학자들의 실험은 원자가 톰슨이 이전에 생각했던 것보다 훨씬 적은 수의 전자를 포함한다는 것을 보여주었다. 톰슨은 이제 원자 내 전자의 수가 원자량의 작은 배수라고 믿었다. 즉, "어떤 원소의 원자 내 미립자의 수는 원소의 원자량에 비례하며, 원자량의 배수이지만 큰 배수는 아니다." 이것은 원자 질량의 거의 대부분이 양전하 구(그것이 무엇으로 만들어졌든)에 의해 운반되어야 한다는 것을 의미했다.
톰슨은 이 책에서 수소 원자가 전자보다 1,700배 무겁다고 추정했다(현재 측정치는 1,837배이다). 톰슨은 아직 수소 이온보다 작은 양전하 입자를 발견한 과학자가 없다고 언급했다. 그는 또한 원자의 양전하가 전자의 음전하와 동일한 기본 양전하 단위의 배수라고 썼다. 톰슨은 기본 양전하 단위가 수소 이온의 질량과 같다는 결론으로 성급하게 점프하기를 거부하며, 과학자들이 먼저 원자가 몇 개의 전자를 포함하는지 알아야 한다고 주장했다. 그가 아는 한, 수소 이온은 여전히 몇 개의 전자, 아마도 두 개의 전자와 세 개의 양전하 단위를 포함할 수 있었다.
1906년 톰슨이 겪었던 베타 산란의 어려움은 그가 이 주제에 다시 관심을 갖게 했다. 그는 J. 아널드 크라우더에게 얇은 박막을 통한 베타 산란 실험을 권장했고, 1910년 톰슨은 베타 산란에 대한 새로운 이론을 발표했다. 이 논문의 두 가지 혁신은 원자의 양전하 구로부터의 산란 도입과 다중 또는 복합 산란이 최종 결과에 중요했다는 분석이었다.:273 이 이론과 크라우더의 실험 결과는 러더퍼드의 이론과 가이거와 마즈든의 알파 입자 새 실험에 의해 맞서게 될 것이었다.
톰슨의 1910년 논문에서 또 다른 혁신은 그가 원자의 양전하가 동일하지만 임의의 크기를 가진 이산적인 단위로 존재하며, 원자 전체에 균일하게 분포되어 있고 빈 공간으로 분리되어 있으며, 각 단위가 전자의 음전하와 동일한 양전하를 가질 때 원자가 들어오는 베타 입자를 어떻게 편향시킬 수 있는지 모형화했다는 것이다. 따라서 톰슨은 양성자의 존재를 추론하는 데 근접했는데, 이는 러더퍼드가 결국 해낸 일이다. 러더퍼드의 원자 모형에서는 양성자가 매우 작은 핵에 밀집되어 있지만, 톰슨의 대안 모형에서는 양전하 단위가 원자 전체에 퍼져 있었다.
톰슨 원자 모형 톰슨의 1910년 베타 산란 모형
톰슨은 1910년 논문 "빠르게 움직이는 대전 입자의 산란에 대하여"에서 베타 입자가 원자와 충돌할 때 어떻게 산란되는지를 모형화하는 방정식을 제시했다.:277 그의 연구는 제임스 크라우더의 베타 산란 연구를 기반으로 했다.
톰슨은 일반적으로 원자 내 양전하가 그 부피 전체에 균일하게 분포되어 전자를 감싸고 있다고 가정했다. 1910년 논문에서 톰슨은 이 양전하 구의 효과를 분리한 다음 방정식을 제시했다.:278
여기서 k는 쿨롱 상수, qe는 베타 입자의 전하, qg는 양전하 구의 전하, m은 베타 입자의 질량, R은 구의 반지름이다. 원자는 베타 입자보다 수천 배 무겁기 때문에 반동에 대한 보정은 필요 없다.
톰슨은 이 방정식이 어떻게 개발되었는지 설명하지 않았지만, 역사가 존 헤일브론은 그가 "직선" 근사라고 부르는 교육적 추측을 제시했다. 중심으로부터 측면 거리 b만큼 떨어진 초기 궤적으로 양전하 구를 통과하는 베타 입자를 고려하자. 경로는 매우 작은 편향을 가지므로 여기서는 직선으로 취급된다.
균일하게 분포된 양전하 구 내부에서 구를 통과하는 경로의 어느 지점에서든 베타 입자에 가해지는 힘은 반지름 r을 따라 다음과 같은 크기를 가질 것이다.:106
톰슨 원자 모형 톰슨의 1910년 베타 산란 모형
궤적에 수직이며 입자의 경로를 편향시키는 힘의 성분은 다음과 같다.
결과적인 운동량의 측면 변화 py는 다음과 같다.
결과적인 각 편향 는 다음과 같이 주어진다.
여기서 px는 들어오는 운동량과 같다고 간주되는 평균 수평 운동량이다. 편향이 매우 작다는 것을 이미 알고 있으므로, 를 와 같게 취급할 수 있다.
평균 편향 각도 를 찾기 위해, 각 b 값에 대한 각도와 해당 L이 구의 면을 따라 합산된 다음, 단면적으로 나뉜다. 피타고라스 정리에 따라 이다.:278
이는 톰슨의 1910년 논문의 공식과 일치한다.
톰슨은 베타 입자와 원자의 전자 사이의 충돌을 모형화하기 위해 한 번의 충돌에 의한 편향을 계산한 다음, 입자가 원자를 가로지르는 동안의 충돌 횟수에 대한 인수를 곱했다.
베타 입자의 경로에서 임의의 거리 s 이내에 있는 전자의 평균 거리는 ⁠s/2⁠이다. 따라서 전자당 평균 편향은 다음과 같다.
여기서 qe는 기본 전하, k는 쿨롱 상수, m과 v는 베타 입자의 질량과 속도이다.
톰슨 원자 모형 톰슨의 1910년 베타 산란 모형
충돌 횟수에 대한 인수는 경로를 따라 가능한 전자 수의 제곱근으로 알려져 있었다. 전자의 수는 입자 경로를 따라 전자의 밀도에 경로 길이 L을 곱한 값에 따라 달라진다.
베타 입자 경로 주변의 이 임의의 효과 실린더 내의 모든 전자에 의해 발생하는 순 편향은 다음과 같다.
여기서 N0은 단위 부피당 전자 수이고 은 이 실린더의 부피이다.
톰슨은 편향이 매우 작을 것이라고 계산했기 때문에 L을 직선으로 취급한다. 따라서 b가 중심으로부터의 현의 거리일 때 이다. 의 평균은 다음 적분으로 주어진다.
이제  방정식에서 을 대체하여 평균 편향 을 얻을 수 있다.
여기서 N은 원자 내 전자 수이며, 와 같다.
톰슨은 1910년 논문에서 원자 전체에 균일하게 분포된, 빈 공간으로 분리된 이산적인 단위로 양전하가 존재하는 대안적인 모형을 제안했다.
이 개념에서 베타 입자의 평균 산란 각도는 다음으로 주어진다.
여기서 σ는 양전하가 차지하는 부피와 전체 원자 부피의 비율이다. 톰슨은 이 방정식을 어떻게 얻었는지 설명하지 않았다.
양전하와 전자가 베타 입자의 경로에 미치는 결합된 효과를 찾기 위해, 톰슨은 다음 방정식을 제공했다.
톰슨 원자 모형 푸딩 모형의 종말
톰슨은 베타 입자 산란을 통해 원자의 구조를 탐색했지만, 그의 전 학생인 어니스트 러더퍼드는 알파 입자 산란에 관심이 있었다. 베타 입자는 방사성 붕괴로 방출되는 전자이고, 알파 입자는 기본적으로 붕괴 과정에서 방출되는 헬륨 원자이다. 알파 입자는 베타 입자보다 훨씬 더 많은 운동량을 가지고 있으며, 러더퍼드는 물질이 톰슨의 푸딩 모형으로는 예측할 수 없는 방식으로 알파 입자를 산란시킨다는 것을 발견했다.
톰슨 원자 모형 푸딩 모형의 종말
1908년에서 1913년 사이에 어니스트 러더퍼드, 한스 가이거, 어니스트 마즈든은 얇은 금속박에 알파 입자 빔을 쏘고 입자의 강도 대 산란 각도를 측정하는 일련의 실험에 협력했다. 그들은 금속박이 알파 입자를 90° 이상 산란시킬 수 있다는 것을 발견했다.:4 이는 톰슨 모형에 따르면 불가능한 일이었다. 큰 각도로의 산란은 무시할 수 있을 정도로 작았어야 했다. 이러한 상황에서 베타 입자가 90° 이상 산란될 확률은 천문학적으로 작으며, 알파 입자는 일반적으로 베타 입자보다 훨씬 더 많은 운동량을 가지므로 그 편향은 훨씬 더 작았어야 한다. 톰슨 모형은 그러한 큰 편향을 일으킬 만큼 충분히 강한 정전기력을 생성할 수 없었다. 톰슨 모형의 전하들은 너무 확산되어 있었다. 이는 러더퍼드가 원자의 양전하가 미세한 핵에 집중되어 있는 새로운 모형을 위해 톰슨 모형을 폐기하게 만들었다.
톰슨 원자 모형 푸딩 모형의 종말
러더퍼드는 더 설득력 있는 발견들을 계속했다. 톰슨의 모형에서 양전하 구는 단지 추상적인 구성 요소였지만, 러더퍼드는 양전하의 원인을 구체적으로 설명할 수 있는 것을 발견했다. 그가 "양성자"라고 명명한 입자들이었다. 톰슨은 전자 수가 대략 원자량과 관련되어 있다고 믿었지만, 러더퍼드는 (중성 원자에서) 그것이 원자 번호와 정확히 같다는 것을 보여주었다.
톰슨은 원자 내 전자의 배열이 화학 원소의 스펙트럼선을 결정한다고 가설을 세웠다. 그는 올바른 길을 가고 있었지만, 그것은 원자가 양전하 구 내에서 어떻게 순환하는지와는 아무 관련이 없었다. 과학자들은 결국 그것이 전자가 에너지를 이산적인 양으로 흡수하고 방출하며, 방출 및 흡수 스펙트럼에 해당하는 에너지 준위를 통해 이동하는 방식과 관련이 있다는 것을 발견했다. 톰슨은 당시 매우 새로운 물리학 분야였던 양자 역학을 자신의 원자 모형에 통합하지 않았다. 닐스 보어와 에르빈 슈뢰딩거는 나중에 양자 역학을 원자 모형에 통합했다.
러더퍼드의 1911년 알파 입자 산란에 대한 논문은 톰슨의 산란 모형이 큰 각도 산란을 설명할 수 없었으며, 데이터 설명을 위해 다중 산란이 필요하지 않다는 것을 보여주었다. 그러나 논문 발표 직후 몇 년 동안은 거의 주목받지 못했다. 산란 모형의 예측은 톰슨의 푸딩 모형에 대한 결정적인 증거로 간주되지 않았다. 톰슨과 러더퍼드는 산란을 원자를 탐색하는 기술로 개척했지만, 그 신뢰성과 가치는 입증되지 않았다. 러더퍼드의 논문 이전에는 알파 입자가 압축된 질량이 아니라 원자로 간주되었다. 왜 그것이 좋은 탐침이 되어야 하는지는 명확하지 않았다. 또한 러더퍼드의 논문은 화학이나 원자 분광학과 같은 실제 문제에 필수적인 원자 전자에 대해 논의하지 않았다.:300 러더퍼드의 핵 모형은 닐스 보어의 연구 이후에야 널리 받아들여지게 되었다.
톰슨 원자 모형 수학적 톰슨 문제
수학의 톰슨 문제는 구 표면에 동일한 점전하를 최적으로 분포시키는 방법을 찾는다. 원래 톰슨 원자 모형과 달리, 이 순수하게 수학적인 모형의 구는 전하를 띠지 않으며, 이로 인해 모든 점전하가 상호 반발력에 의해 구 표면으로 이동한다. 양전하 구 내부에 전자가 어떻게 배열되는지에 대한 톰슨의 원래 문제에 대한 일반적인 해법은 여전히 없다.
톰슨 원자 모형 별명의 유래
톰슨의 모형을 크리스마스 푸딩에 비유한 최초의 작가는 1906년 8월 영국 제약 잡지 더 케미스트 앤 드러기스트(The Chemist and Druggist)의 기사에 실린 익명의 기자였다.
음전하가 극히 작은 코퍼스클에 집중되어 있는 반면, 양전하(positive electricity)는 상당한 부피에 분포되어 있다. 따라서 원자는 마치 인색한 푸딩에 건포도가 박혀 있는 것처럼, 음전하를 띤 미세한 점들인 코퍼스클들이 양전하 구 안에서 헤엄치는 형태로 구성되며, 음전하 단위는 중심을 향해 끌리면서 동시에 서로 반발한다.
이 비유는 톰슨이나 그의 동료들이 사용한 적이 없다. 이 비유는 대중 과학 작가들이 일반인들이 이 모형을 더 쉽게 이해할 수 있도록 만들어낸 것으로 보인다.
사이클로펜타다이엔
사이클로펜타다이엔(Cyclopentadiene)은 화학식 C5H6을 갖는 유기 화합물이다. 사이클로펜타다이에닐 음이온이 Cp−로 약칭되므로 종종 CpH로 약칭된다.
이 무색 액체는 강하고 불쾌한 냄새가 난다. 상온에서 이 고리형 다이엔은 몇 시간 동안 딜스-알더 반응을 통해 다이사이클로펜타다이엔을 형성하면서 이합체화된다. 이 이합체는 가열하면 단량체로 환원될 수 있다.
이 화합물은 주로 사이클로펜텐 및 그 유도체의 생산에 사용된다. 또한 유기금속화학에서 사이클로펜타다이에닐 착물의 중요한 리간드인 사이클로펜타다이에닐 음이온(Cp−)의 전구체로 널리 사용된다.
사이클로펜타다이엔 생산 및 반응
사이클로펜타다이엔과 다이사이클로펜타다이엔은 상호 전환되기 때문에 일반적으로 생산 과정이 구분되지 않는다. 이들은 콜타르(약 10~20 g/t)와 나프타의 수증기 분해(약 14 kg/t)를 통해 얻어진다. 사이클로펜타다이엔 단량체를 얻기 위해 상업용 다이사이클로펜타다이엔은 약 180 °C로 가열하여 분해된다. 단량체는 증류를 통해 수집되며 곧바로 사용된다. 이때 미분해된 이합체를 제거하기 위해 어떤 형태의 증류탑을 사용하는 것이 좋다.
사이클로펜타다이엔의 수소 원자는 빠른 [1,5]-시그마 전위를 겪는다. 그러나 수소화물 전위는 0 °C에서 충분히 느려서 알킬화된 유도체를 선택적으로 조작할 수 있다.
C5H5E(CH3)3 (E = Si, Ge, Sn) 유도체는 훨씬 더 플럭셔널하며, 이때 더 무거운 원소는 낮은 활성화 장벽으로 탄소에서 탄소로 이동한다.
사이클로펜타다이엔 생산 및 반응
사이클로펜타다이엔은 다른 다이엔에 비해 전이 상태의 봉투형 기하학적 구조를 달성하는 데 필요한 다이엔의 변형이 최소화되므로 딜스-알더 반응에서 반응성이 매우 높은 다이엔이다. 유명하게도, 사이클로펜타다이엔은 이합체화된다. 이 전환은 상온에서 몇 시간 내에 발생하지만, 단량체는 −20 °C에서 며칠 동안 보관할 수 있다.
이 화합물은 탄화수소치고는 이례적으로 산성이 강하며 (pKa = 16), 이는 방향족 사이클로펜타다이에닐 음이온, C5H−5의 높은 안정성으로 설명된다. 탈양성자화는 다양한 염기, 일반적으로 수소화 나트륨, 금속 나트륨, 그리고 뷰틸 리튬으로 달성할 수 있다. 이 음이온의 염은 사이클로펜타다이에닐 나트륨과 사이클로펜타다이에닐 리튬을 포함하여 상업적으로 이용 가능하다. 이들은 사이클로펜타다이에닐 착물을 제조하는 데 사용된다.
사이클로펜타다이엔 생산 및 반응
메탈로센과 관련 사이클로펜타다이에닐 유도체는 높은 안정성 때문에 유기금속화학의 초석이 되며 광범위하게 연구되어 왔다. 특성이 규명된 첫 번째 메탈로센인 페로센은 MC5H5 형태의 알칼리 금속 유도체를 전이 금속의 다이할라이드와 결합하는 방식으로 다른 많은 메탈로센이 제조되는 방식으로 제조되었다. 전형적인 예로, 니켈로센은 THF에서 염화 니켈(II)을 사이클로펜타다이에닐 나트륨으로 처리하면 형성된다.
NiCl2 + 2 NaC5H5 → Ni(C5H5)2 + 2 NaCl
사이클로펜타다이에닐 음이온과 사이클로펜타다이엔 자체를 모두 포함하는 유기금속 착물도 알려져 있으며, 그 한 예로 로도센 단량체로부터 양성자성 용매에서 생성되는 로도센 유도체가 있다.
이는 레오 파케트의 1982년 도데카헤드레인 합성에 대한 출발 물질이었다. 첫 번째 단계는 단순히 다이사이클로펜타다이엔을 생성하는 첨가가 아닌, 분자의 환원 이합체화를 통해 다이하이드로풀발렌을 생성하는 것이었다.
사이클로펜타다이엔 용도
사이클로펜타다이엔 기반 촉매의 전구체 역할 외에, 사이클로펜타다이엔의 주요 상업적 응용은 코모노머의 전구체로 사용되는 것이다. 부분 수소화는 사이클로펜텐을 생성한다. 뷰타다이엔과의 딜스-알더 반응은 에틸리덴 노보르넨을 생성하며, 이는 EPDM 고무 생산에서 코모노머로 사용된다.
사이클로펜타다이엔 유도체
사이클로펜타다이엔은 하나 이상의 수소를 치환하여 공유 결합을 갖는 유도체를 형성할 수 있다.
이러한 치환된 사이클로펜타다이엔 대부분은 또한 음이온을 형성하고 사이클로펜타다이에닐 착물에 결합할 수 있다.
입체규칙성
입체규칙성 또는 택티시티(그리스어: τακτικός taktikos[*], "배열 또는 순서와 관련된")는 고분자 내에서 인접한 카이랄 중심의 상대적인 입체화학을 말한다. 입체규칙성의 실용적 중요성은 중합체의 물리적 특성에 미치는 영향에 있다. 고분자 구조의 규칙성은 고분자가 단단하고 결정성의 장거리 질서를 가지는지, 아니면 유연하고 비정질의 장거리 무질서를 가지는지에 영향을 미친다. 중합체의 입체규칙성에 대한 정확한 지식은 중합체가 어떤 온도에서 녹는지, 용매에 얼마나 잘 녹는지, 그리고 기계적 특성을 이해하는 데도 도움이 된다.
입체규칙성
IUPAC 정의에서 택틱 고분자는 본질적으로 모든 입체배열(반복) 단위가 동일한 고분자를 말한다. 모든 탄소 원자가 사면체형 분자기하로 주사슬을 이루는 탄화수소 고분자에서 지그재그 주사슬은 종이 평면에 있고 치환체는 종이 밖으로 튀어나오거나 종이 안으로 들어간다. 이 투영법은 줄리오 나타의 이름을 따서 나타 투영법이라고 불린다. 입체규칙성은 특히 -H2C-CH(R)- 유형의 비닐 중합체에서 중요하다. 여기서 각 반복 단위는 중합체 주사슬의 한쪽에 부착된 치환기 R을 포함한다. 이들 치환기의 배열은 규칙적인 패턴을 따를 수 있는데, 이전 것과 같은 쪽에 나타나거나, 반대쪽에 나타나거나, 이전 단위에 대해 무작위 배열로 나타날 수 있다. 모노택틱 고분자는 반복 단위당 하나의 입체 이성질체 원자를 가지며, 다이택틱에서 n-택틱 고분자는 단위당 두 개 이상의 입체 이성질체 원자를 가진다.
입체규칙성 정의
고분자 분자에서 두 개의 인접한 구조 단위는 다이아드를 구성한다. 다이아드는 중첩된다: 각 구조 단위는 두 개의 다이아드의 일부로 간주되며, 각 이웃과 함께 하나의 다이아드를 이룬다. 다이아드가 두 개의 동일하게 배향된 단위로 구성되면, 이 다이아드를 m 다이아드라고 부른다 (이전에는 메조 다이아드라고 불렸으며, 메조 화합물에서와 같이, 현재는 금지됨). 다이아드가 반대 방향으로 배향된 단위로 구성되면, 이 다이아드를 r 다이아드라고 부른다 (이전에는 라세모 다이아드라고 불렸으며, 라세미 화합물에서와 같이, 현재는 금지됨). 비닐 중합체 분자의 경우, m 다이아드는 치환기가 중합체 주사슬의 같은 쪽에 배향된 경우이다; 나타 투영법에서 그들은 모두 평면 안으로 향하거나 모두 평면 밖으로 향한다.
입체규칙성 정의
고분자의 입체화학은 트라이아드를 도입함으로써 더욱 정확하게 정의될 수 있다. 아이소택틱 트라이아드(mm)는 두 개의 겹치는 m 다이아드로 구성되며, 신디오택틱 트라이아드 (신디오택틱으로도 표기됨) (rr)는 두 개의 겹치는 r 다이아드로 구성되며, 헤테로택틱 트라이아드(rm)는 r 다이아드와 m 다이아드가 겹쳐져 구성된다. 아이소택틱(mm) 트라이아드의 질량 분율은 입체규칙성의 일반적인 정량적 측정치이다.
고분자의 입체화학이 베르누이 과정으로 간주될 때, 트라이아드 조성은 다이아드가 m형일 확률 Pm으로부터 계산될 수 있다. 예를 들어, 이 확률이 0.25일 때 다음을 찾을 확률:
총 확률은 1이다. 테트라드에 대해서도 다이아드와 유사한 관계가 존재한다.:357
테트라드와 펜타드의 정의는 입체규칙성을 정의하는 데 있어 추가적인 정교함과 정확성을 제공하며, 특히 장거리 질서에 대한 정보가 필요할 때 더욱 그렇다. 탄소-13 NMR을 통해 얻은 입체규칙성 측정은 일반적으로 폴리머 분자 내의 다양한 펜타드(예: mmmm, mrrm)의 상대적 풍부도 측면에서 표현된다.
입체규칙성을 표현하는 주요 관례는 위에서 설명한 바와 같이 트라이아드 또는 고차 성분의 상대적 중량 분율 측면에서이다. 입체규칙성의 다른 표현은 고분자 분자 내 m 및 r 서열의 평균 길이이다. 평균 m-서열 길이는 펜타드의 상대적 풍부도에서 다음과 같이 근사화될 수 있다.
입체규칙성 중합체
아이소택틱 중합체는 아이소택틱 고분자(IUPAC 정의)로 구성된다. 아이소택틱 고분자에서는 모든 치환기가 고분자 주사슬의 같은 쪽에 위치한다. 아이소택틱 고분자는 100% m 다이아드로 구성되지만, IUPAC은 더 느슨한 사용법이 설명될 경우 최소 95% m 다이아드를 포함하는 고분자에도 이 용어를 허용한다. 치글러-나타 촉매 작용으로 형성된 폴리프로필렌은 아이소택틱 중합체의 한 예이다. 아이소택틱 중합체는 일반적으로 준결정성이며 대체로 (항상 그렇지는 않지만) 나선형 구조로 결정화된다.
신디오택틱 또는 신택틱 고분자에서는 치환기가 사슬을 따라 번갈아 가며 위치한다. 고분자는 100% r 다이아드로 구성되지만, IUPAC은 더 느슨한 사용법이 설명될 경우 최소 95% r 다이아드를 포함하는 고분자에도 이 용어를 허용한다. 메탈로센 촉매 중합으로 만들어진 신디오택틱 폴리스타이렌은 161 °C의 녹는점을 가진 결정성 물질이다. 구타페르차도 신디오택틱 중합체의 한 예이다.
입체규칙성 중합체
아택틱 고분자에서는 치환기가 사슬을 따라 무작위로 배열된다. m 다이아드의 백분율은 특별히 명시되지 않는 한 45%에서 55% 사이로 이해되지만, 사용이 명확하게 설명되면 0% 또는 100%를 제외한 어떤 값도 될 수 있다. NMR과 같은 분광학적 기술을 이용하면 각 트라이아드의 백분율 측면에서 중합체의 조성을 정확히 파악할 수 있다.
자유 라디칼 메커니즘에 의해 형성되는 중합체(예: 폴리염화 비닐)는 일반적으로 아택틱이다. 무작위적인 특성 때문에 아택틱 중합체는 일반적으로 비정질이다. 헤미-아이소택틱 고분자에서는 격자 간격 단위마다 무작위 치환기가 존재한다.
PS와 같은 아택틱 폴리스타이렌은 기술적으로 매우 중요하다. 카민스키 촉매를 사용하여 신디오택틱 폴리스타이렌을 얻을 수 있지만 대부분의 산업용 폴리스타이렌은 아택틱이다. 두 물질은 매우 다른 특성을 가지는데, 아택틱 버전의 불규칙한 구조는 고분자 사슬이 규칙적으로 쌓이는 것을 불가능하게 만들기 때문이다. 신디오택틱 PS는 준결정성 물질인 반면, 더 흔한 아택틱 버전은 결정화될 수 없고 대신 유리를 형성한다. 이 예는 경제적으로 중요한 많은 고분자가 아택틱 유리 형성체라는 점에서 매우 일반적이다.
입체규칙성 중합체
유택틱 고분자에서는 치환기가 사슬을 따라 어떤 특정(하지만 잠재적으로 복잡한) 위치 서열을 차지할 수 있다. 아이소택틱 및 신디오택틱 중합체는 더 일반적인 유택틱 중합체 종류의 예시이며, 이에는 다른 종류의 치환체로 구성된 서열을 가진 이종 고분자(예: 단백질의 측쇄와 핵산의 염기)도 포함된다.
입체규칙성 중합체 특성에 미치는 영향
입체규칙성은 중합체 결정화도에 큰 영향을 미치며, 따라서 강도, 녹는점, 용해도와 같이 결정화도에 의존하는 다른 특성에도 영향을 미친다. 아이소택틱 및 신디오택틱 중합체는 더 질서정연한 구조를 가지며 준결정성 물질을 형성할 수 있는 반면, 아택틱 중합체는 일반적으로 비정질이다(즉, 결정성이 아님). 이는 질서 부족으로 인해 결정 격자로 쌓일 수 없기 때문이다. 결정화도는 일반적으로 기계적 강도, 용매 저항성 및 장벽 특성을 향상시키지만, 비정질 중합체가 반드시 기계적 특성이 나쁜 것은 아니며 광학 투명성과 같은 다른 장점을 가질 수 있다. 예를 들어, 아택틱 폴리프로필렌은 유리 전이 온도, Tg가 -27 °C인 비정질 중합체인 반면, 아이소택틱 폴리프로필렌은 Tg가 -26 °C이고 녹는점 Tm이 160 °C인 결정성 중합체이며, 신디오택틱 폴리프로필렌도 Tg가 -4.3 °C로 더 높고 Tm이 126 °C로 더 낮은 결정성 중합체이다. 아이소택틱 폴리프로필렌은 강하고 녹는점이 높아 다양한 응용 분야에 널리 사용되는 반면, 아택틱 폴리프로필렌은 부드럽고 왁스 같아서 접착제 및 아스팔트 첨가제로만 제한적으로 사용된다.
입체규칙성 입체조절 중합
제어된 입체규칙성(즉, 아택틱이 아닌)을 가진 중합체는 어떤 종류의 입체조절 중합을 통해 생산되어야 한다. 입체조절 중합은 다양한 사슬 성장 중합 메커니즘에서 입증되었지만, 라디칼 및 양이온 중합의 입체조절은 전파 사슬 말단의 입체화학적 정의 부족으로 인해 배위 및 음이온 중합의 입체조절보다 덜 흔하다. 카이랄 단량체의 입체조절 중합은 또한 거울상 선택적일 수 있는데, 이는 단량체의 한 광학 이성질체가 선택적으로 중합되어 아이소택틱 중합체를 생성한다는 의미이다. 입체선택성의 기원에 따라 입체조절 중합은 중합체 사슬 말단 제어 또는 거울상 형태 부위 제어로 분류될 수 있다.
입체규칙성 입체조절 중합
중합체 사슬 말단 제어에서, 중합체 사슬에 가장 최근에 추가된 단량체의 입체화학은 다음에 추가될 단량체의 입체화학을 결정한다. 아이소선택적 중합에서는 다음에 삽입될 단량체가 이전 단량체와 동일한 입체화학을 가지는 반면, 신디오선택적 중합에서는 반대가 된다. 중합체 사슬 말단 제어를 통한 중합의 입체선택성은 m 및 r 다이아드를 형성할 확률인 Pm 및 Pr로 정량화된다. 아이소선택적 중합은 Pm이 1에 가까워지는 반면, 신디오선택적 중합은 Pr이 1에 가까워진다. 입체 오류가 발생하면(즉, 아이소선택적 중합에서 r 다이아드 형성처럼 덜 선호되는 방향으로 단량체가 추가되는 경우), 이는 전파되어 아이소선택적 중합에서는 치환체가 중합체 사슬의 한쪽 면에 모두 있었던 상태에서 다른 쪽 면에 모두 있는 상태로 전환된다.
거울상 형태 부위 제어에서는 다음에 추가될 단량체의 입체화학이 대신 촉매의 입체화학에 의해 결정된다. 거울상 형태 부위 제어를 통한 중합의 입체선택성은 특정 절대배치를 가진 단량체를 추가할 확률인 부위 제어 선택성 α로 종종 정량화된다. 아이소선택적 중합의 경우, α 값이 0 또는 1은 완전한 아이소택틱 중합체를 나타내고 α 값이 0.5는 아택틱 중합체를 나타낸다. 입체 오류가 발생하면, 이는 수정된다. 즉 (아이소선택적 중합에서) 치환체는 오류가 발생하기 전과 동일한 중합체 사슬의 한쪽에 다시 위치하게 된다.
입체규칙성 헤드/테일 배열
비닐 중합체에서 완전한 입체배열은 중합체 헤드/테일 배열을 정의함으로써 더욱 자세히 설명될 수 있다. 규칙적인 고분자에서는 단량체 단위가 일반적으로 β-치환기가 번갈아 가며 탄소 원자에 위치하도록 머리-꼬리 배열로 연결된다. 그러나 두 개의 성장하는 라디칼 사슬의 재조합이나 폴리비닐리덴 플루오라이드와 같이 입체 효과가 충분히 약할 경우 직접적인 머리-머리 첨가에 의해 치환기가 인접한 탄소 원자에 위치하는 머리/머리-꼬리/꼬리 배열과 같은 결함이 형성될 수 있다.
입체규칙성 입체규칙성 측정 기술
입체규칙성은 양성자 또는 탄소-13 NMR을 사용하여 직접 측정할 수 있다. 이 기술은 스펙트럼 해상도에 따라 알려진 다이아드(r, m), 트라이아드(mm, rm+mr, rr) 및 고차 n-아드에 해당하는 피크 영역 또는 적분 범위의 비교를 통해 입체규칙성 분포를 정량화할 수 있게 한다. 해상도가 제한적인 경우, 베르누이식 또는 마르코프식 분석과 같은 확률적 방법을 사용하여 분포를 맞추고 고차 n-아드를 예측하며 원하는 수준으로 중합체의 아이소입체규칙성을 계산할 수도 있다.
입체규칙성에 민감한 다른 기술로는 엑스선 분말 회절, 이차 이온 질량 분석법 (SIMS), 진동 분광법 (FTIR) 및 특히 2차원 기술이 있다. 입체규칙성은 입체규칙성와 해당 특성 간의 관계가 잘 확립되어 있을 때 녹는점과 같은 다른 물리적 특성을 측정하여 추론할 수도 있다.
입체규칙성 더 읽어보기
Wandrey, Christine [Prof.] (2004년 4월 19일). “Molecular Basis of the Structure and Behavior of Polymers, Part II: Chemistry and Structure of Macromolecules—Design of Polymer Chains” (PDF) (polymer chemistry course materils). 《EPFL.ch》. Lausanne, Switzerland: Laboratory of Polymers and Biomaterials, Dept. of Chemistry, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL). 2004년 4월 19일에 원본 문서 (PDF)에서 보존된 문서.
습식화학
습식화학(wet chemistry)은 물질을 분석하기 위해 관찰과 같은 고전적인 방법을 사용하는 분석화학의 한 형태이다. 습식화학이라는 용어는 대부분의 분석 작업이 액상에서 이루어지기 때문에 사용된다. 습식화학은 많은 테스트가 실험실 벤치에서 수행되기 때문에 벤치 화학으로도 알려져 있다.
습식화학 재료
습식화학은 의도하지 않은 출처에 의한 물질의 오염 또는 간섭을 방지하기 위해 비커 및 눈금 실린더와 같은 유리기구를 일반적으로 사용한다. 휘발유, 분젠 버너, 도가니는 건조된 형태로 물질을 증발시키고 분리하는 데 사용될 수도 있다. 습식화학은 대부분의 고급 기기가 자동으로 물질을 스캔하기 때문에 어떠한 고급 기기로도 수행되지 않는다. 그러나 저울과 같은 간단한 기구는 변화가 발생하기 전과 후에 물질의 무게를 측정하는 데 사용된다. 많은 고등학교 및 대학교 연구소에서 학생들에게 기본적인 습식화학 방법을 가르친다.
습식화학 역사
이론화학 및 계산화학 시대 이전에 습식화학은 화학 분야에서 과학적 발견의 주요 형태였다. 이것이 때때로 고전 화학 또는 전통 화학으로 불리는 이유이다. 과학자들은 습식화학의 정확도를 향상시키기 위한 기술을 지속적으로 개발했다. 이후 습식화학으로는 불가능한 연구를 수행하기 위한 기기가 개발되었다. 시간이 지나면서 이것은 기기 분석이라는 분석화학의 별도 분야가 되었다. 오늘날 사회에서 수행해야 하는 습식화학의 양과 새로운 품질 관리 요구 사항으로 인해, 많은 습식화학 방법이 효율적인 분석을 위해 자동화되고 컴퓨터화되었다. 습식화학의 수동 수행은 주로 학교에서 이루어진다.
습식화학 방법
정성적 방법은 정량화할 수 없는 정보의 변화를 사용하여 변화를 감지한다. 여기에는 색상, 냄새, 질감 등의 변화가 포함될 수 있다.
화학 검사는 미지의 용액에 특정 화학 물질이 존재하는지 여부를 나타내기 위해 시약을 사용한다. 시약은 반응하는 화학 물질에 따라 고유한 반응을 일으켜 용액에 어떤 화학 물질이 있는지 알 수 있게 한다. 예를 들어, 헬러 테스트에서는 단백질이 포함된 시험관에 강산이 첨가된다. 물질들이 만나는 지점에 흐릿한 고리가 형성되어 산이 단백질을 변성시키고 있음을 나타낸다. 구름은 액체에 단백질이 존재한다는 신호이다. 이 방법은 사람의 소변에서 단백질을 감지하는 데 사용된다.
불꽃 반응은 화학 검사의 더 잘 알려진 버전이다. 금속 이온에만 사용된다. 금속 분말이 연소되어 연소된 금속에 따라 색상이 방출된다. 예를 들어, 칼슘 (Ca)은 주황색으로 연소되고 구리 (Cu)는 파란색으로 연소된다. 이들의 색상 방출은 불꽃놀이에서 밝은 색상을 생성하는 데 사용된다.
습식화학 방법
정량적 방법은 측정하고 정량화할 수 있는 정보를 사용하여 변화를 나타낸다. 여기에는 부피, 농도, 무게 등의 변화가 포함될 수 있다.
중량 분석은 침전물에서 형성되었거나 액체에 용해된 고체의 무게 또는 농도를 측정한다. 액체의 질량은 반응을 거치기 전에 기록된다. 침전물의 경우 침전물이 더 이상 형성되지 않을 때까지 시약을 첨가한다. 그런 다음 침전물을 건조하고 무게를 측정하여 액체 내 화학 물질의 농도를 결정한다. 용해된 물질의 경우 고체가 제거될 때까지 액체를 여과하거나 모든 액체가 증발할 때까지 끓일 수 있다. 고체는 완전히 건조될 때까지 그대로 둔 다음 무게를 측정하여 농도를 결정한다. 모든 액체를 증발시키는 것이 더 일반적인 접근 방식이다.
습식화학 방법
부피 분석 또는 적정은 화학 물질의 양을 결정하기 위해 부피 측정에 의존한다. 알려진 부피와 농도를 가진 시약을 미지의 물질 또는 농도를 가진 용액에 첨가한다. 변화가 발생하기 위해 필요한 시약의 양은 미지의 물질의 양에 비례한다. 이것은 존재하는 미지의 물질의 양을 나타낸다. 눈에 보이는 변화가 없으면 지시약을 용액에 첨가한다. 예를 들어, 산·염기 지시약은 용액의 pH에 따라 색상이 변한다. 색상 변화가 발생하는 정확한 지점을 종말점이라고 한다. 색상 변화가 매우 갑자기 발생할 수 있으므로 모든 측정에서 극도로 정밀해야 한다.
비색법은 정성적 및 정량적 특성을 모두 가지므로 독특한 방법이다. 정성적 분석은 색상 변화를 기록하여 변화가 발생했음을 나타내는 것을 포함한다. 이는 색상의 음영 변화 또는 완전히 다른 색상으로의 변화일 수 있다. 정량적 측면은 색상의 파장을 측정할 수 있는 감각 장비를 포함한다. 파장의 변화는 정확하게 측정될 수 있으며 혼합물 또는 용액의 변화를 나타낸다.
습식화학 용도
습식화학 기술은 색상 변화(비색법)와 같은 정성적 화학 측정을 위해 사용될 수 있지만, 종종 중량 측정 및 적정 측정과 같은 방법을 사용하여 더 정량적인 화학 측정을 포함한다. 습식화학의 일부 용도는 다음과 같은 테스트를 포함한다.
습식화학은 또한 환경화학 설정에서 환경의 현재 상태를 결정하는 데 사용된다. 다음을 테스트하는 데 사용된다.
또한 다음과 같은 화학 물질에 대한 샘플, 예를 들어 물 공급원의 원소 분석을 포함할 수 있다.
열량 측정
화학 및 열역학에서 열량 측정(calorimetry)은 지정된 제약 조건 하에서 화학 반응, 물리변화 또는 상전이 등으로 인한 상태 변화와 관련된 열전달을 유도하기 위해 물체의 상태 변수 변화를 측정하는 과학 또는 행위이다. 열량 측정은 열량계로 수행된다. 열과 온도의 차이를 처음으로 인식한 스코틀랜드 의사이자 과학자인 조지프 블랙이 열량 측정 과학의 창시자로 알려져 있다.
간접 열량 측정은 생물체가 생성하는 이산화 탄소와 질소 폐기물(수생 생물의 경우 암모니아, 육상 생물의 경우 요소)의 생성량을 측정하거나 산소 소비량을 측정하여 열을 계산한다. 앙투안 라부아지에는 1780년에 다중회귀분석을 사용하여 이러한 방식으로 산소 소비량으로부터 열 생성을 예측할 수 있다고 언급했다. 동적 에너지 예산 이론은 이 절차가 올바른 이유를 설명한다. 생물체에 의해 생성되는 열은 직접 열량 측정으로도 측정할 수 있는데, 이 경우 전체 생물체가 측정을 위해 열량계 안에 배치된다.
널리 사용되는 최신 기기는 시차 주사 열량계로, 소량의 물질에 대한 열 데이터를 얻을 수 있는 장치이다. 이는 제어된 속도로 시료를 가열하고 시료로 들어오거나 나가는 열 흐름을 기록하는 것을 포함한다.
열량 측정 역사
열의 개념은 2500년 이상 과학자들의 흥미를 끌었다. 그리스-로마 시대에 플라톤과 아리스토텔레스는 열을 불의 한 형태로 간주했다. 아이작 뉴턴은 열이 에테르 입자의 진동에 의해 전달된다고 제안했으며, 르네 데카르트는 열을 빛에 의해 유도되는 공기 입자의 가속 운동으로 설명했다. 로버트 훅은 열을 물질의 부분 운동으로 인해 발생하는 물질의 속성으로 보았다. 수세기 동안, 지배적인 이론은 열을 "칼로릭"이라고 불리는 스스로 밀어내는 무게 없는 유체로 상상했다.
열 측정은 약 3세기 전에 형성되기 시작했다. 1750년, 게오르크 빌헬름 리히만은 최초의 일반 열량 측정 방정식을 공식화했으며, 이는 나중에 리히만 법칙으로 알려지게 되었고, 동일한 종류의 혼합 물질의 평형 온도를 계산할 수 있게 했다. 10년 후, 조지프 블랙은 결정적인 공헌을 했다. 1761년, 그는 얼음에 녹는점까지 또는 끓는 물에 열을 가해도 온도가 변하지 않는다는 것을 발견했다. 그가 잠열과 비열을 식별한 것은 열역학의 탄생을 알렸고 열과 온도의 구분을 도입했다.
열량 측정 역사
1789년, 앙투안 라부아지에와 피에르시몽 드 라플라스 후작은 최초의 열량계를 제작하여 정량적 열량 측정을 시작했다. 다음 주요 발전은 1790년대에 벤저민 톰프슨 경으로부터 나왔다. 물속에서 대포 구멍을 뚫는 동안 발생하는 열을 관찰하면서, 그는 열이 물질이 아닌 에너지의 한 형태여야 한다고 결론지었다.
이 아이디어는 1840년대에 열의 역학적 등가를 결정한 제임스 프레스콧 줄에 의해 정량화되었다. 줄은 절연된 액체에서 패들을 돌리기 위해 낙하하는 추를 사용하여, 4.184줄의 일이 1칼로리와 동일한 가열 효과를 생성한다는 것을 보여주었고, 역학적 일과 열에너지 사이의 수치적 연결을 확립했다.
거의 같은 시기인 1840년에 화학자 게르맹 앙리 헤스는 헤스의 법칙을 공식화하여 화학 반응의 총 엔탈피 변화가 반응 경로와 무관하다는 것을 보여주었다. 이 원리는 현대 열화학 및 열량 측정의 기본으로 남아 있다.
마지막으로, 1870년대에 피에르 외젠 베르틀로는 최초의 현대식 봄베 열량계를 개발하고 흡열 및 발열 반응의 개념을 도입했다.
열량 측정 열의 고전적 열량 측정 계산
열량 측정은 온도가 변하는 기준 물질이 알려진 확실한 열적 구성 특성을 가져야 한다. 루돌프 클라우지우스와 켈빈이 인정한 고전적인 규칙은 열량 측정 물질이 가하는 압력이 온도와 부피에 의해서만 완전하고 빠르게 결정된다는 것이다. 이 규칙은 얼음의 녹는 것과 같은 상 변화를 포함하지 않는 변화에 대한 것이다. 이 규칙을 따르지 않는 많은 물질이 있으며, 이러한 물질에 대해서는 현재의 고전적 열량 측정 공식이 적절한 설명을 제공하지 않는다. 여기서는 사용되는 열량 측정 물질에 대해 고전적인 규칙이 적용된다고 가정하며, 명제는 수학적으로 다음과 같이 작성된다.
열량 측정 물질의 열 반응은 부피 와 온도 만의 구성 함수 의 값인 압력 로 완전히 기술된다. 여기서는 모든 증분이 매우 작아야 한다. 이 계산은 상 변화가 일어나지 않고 단일 상만 존재하는 물체의 부피 및 온도 영역을 참조한다. 여기서 중요한 가정은 속성 관계의 연속성이다. 상 변화에는 다른 분석이 필요하다.
열량계 물체가 작은 증분의 열을 얻을 때, 부피의 작은 증분 과 온도의 작은 증분 이 있을 때, 열량계 물질이 얻은 열 증분 는 다음과 같이 주어진다.
열량 측정 열의 고전적 열량 측정 계산
여기서
는 일정한 제어 온도 에서 열량 측정 물질의 부피에 대한 잠열을 나타낸다. 물질에 가해지는 주변의 압력은 초기 부피 를 가진 선택된 부피 변화를 강제하기 위해 도구적으로 조절된다. 이 잠열을 결정하기 위해 부피 변화는 사실상 독립적으로 도구적으로 변화하는 양이다. 이 잠열은 널리 사용되는 것 중 하나는 아니지만, 이론적 또는 개념적 관심사가 있다.
는 고정된 일정한 부피 에서 열량 측정 물질의 열용량을 나타내며, 물질의 압력은 초기 온도 에서 자유롭게 변할 수 있도록 허용된다. 온도는 적절한 열탕에 노출되어 강제로 변한다. 를 간단히  또는 더 간단히 로 쓰는 것이 일반적이다. 이 잠열은 널리 사용되는 두 가지 중 하나이다.
열량 측정 열의 고전적 열량 측정 계산
부피에 대한 잠열은 일정한 온도에서 부피가 단위만큼 증가하는 데 필요한 열이다. 이는 '등온선을 따라 측정된다'고 말할 수 있으며, 물질이 가하는 압력은 구성 법칙 에 따라 자유롭게 변할 수 있도록 허용된다. 주어진 물질에 대해 양수 또는 음수 부호를 가질 수 있으며 예외적으로 0일 수 있고, 이는 물의 4 C 주변에서와 같이 온도에 따라 달라질 수 있다. 부피에 대한 잠열의 개념은 1762년 조지프 블랙에 의해 처음 인식되었을 것이다. '팽창 잠열'이라는 용어도 사용된다. 부피에 대한 잠열은 '부피에 대한 잠재 에너지'라고도 불릴 수 있다. 이러한 '잠열'의 모든 용법에 대해 보다 체계적인 용어는 '잠열 용량'을 사용한다.
일정 부피에서의 열용량은 일정 부피에서 온도가 단위만큼 증가하는 데 필요한 열이다. 이는 '등적선을 따라 측정된다'고 말할 수 있으며, 다시 말해 물질이 가하는 압력은 자유롭게 변할 수 있도록 허용된다. 항상 양수 부호를 가진다. 이는 부피 변화 없이 물체의 온도가 증가하려면 열이 공급되어야 한다는 것을 의미한다. 이는 일반적인 경험과 일치한다.
와 같은 양은 때때로  표면의 곡선을 따라 측정되기 때문에 '곡선 미분'이라고 불린다.
열량 측정 열의 고전적 열량 측정 계산
정부피 열량 측정은 일정한 부피에서 수행되는 열량 측정이다. 이는 정부피 열량계를 사용하는 것을 포함한다. 열은 위에서 언급된 열량 측정 원리에 따라 여전히 측정된다.
이는 폭탄 열량계라고 불리는 적절히 제작된 열량계에서 부피의 증분 이 0이 되도록 만들 수 있음을 의미한다. 정부피 열량 측정의 경우:
여기서
는 온도의 증분을 나타내고
는 일정 부피에서의 열용량을 나타낸다.
부피에 대한 열 계산의 위 규칙으로부터 압력에 대한 규칙이 따른다.
압력의 작은 증분 과 온도의 작은 증분 이 있는 과정에서, 열량 측정 물질이 얻은 열 증분 는 다음과 같이 주어진다.
여기서
는 일정한 온도에서 열량 측정 물질의 압력에 대한 잠열을 나타내며, 이때 물체의 부피와 압력은 압력 와 온도 에서 자유롭게 변할 수 있도록 허용된다.
는 압력 와 온도 에서 물체의 온도와 부피가 자유롭게 변할 수 있도록 허용된 상태에서 일정한 압력에서의 열량 측정 물질의 열용량을 나타낸다. 를 간단히  또는 더 간단히 로 쓰는 것이 일반적이다.
여기서 새로운 양들은 이전 양들과 관련이 있다.
여기서
는 에서 평가된 에 대한 의 편미분을 나타낸다.