무게 분석, Gravimetric analysis

 무게 분석Gravimetric analysis에서 생성물의 질량은 원래 분석물질의 양을 계산하는데 이용된다. 1914년 노벨 화학상을 수상한 미국의 물리화학자 Theodore William Richards는 Ag, Cl, N의 원자량을 여섯째 자리수까지 정확하게 측정했고 정확한 원자량을 측정하는 기초를 이루어냈다. 아래는 1914년 노벨 화학상의 연설문이다. 클릭하면 볼 수 있다.

많은 화학 원소의 정확한 원자량 측정 - 1914년 노벨 화학상
시어도어 리처즈 Theodore William

 전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.
1915년 스웨덴 왕립과하권은 수많은 화학원소들의 원자량을 정확하게 측정한 업적으로 미국 메사추세츠 케임브리지에 있는 하버드 대학교의 시어도어 윌리엄 리처즈 교수에게 1914년 노벨 화학상을 수여하기로 결정하였습니다.

 리처즈 교수가 많은 원소들의 원자량을 결정하면서 이룩한 연구는 완벽한 진리를 추구하는 거대한 작업으로 평가받고 있습니다. 1887년 스무 살이 채 안 된 리처즈 교수가 물에서 수소와 산소의 비율을 재측정하는 일로 조사이어 쿡을 도운 이후 그의 연구는 노벨상을 받는 날까지 결국 사반세기 이상 끊임없이 지속되었습니다.

 연구 결과 적어도 30개 원소의 원자량이 정확하게 다시 결정되었고, 이는 이전에 사용되던 방법과 비교해 볼 때 매우 진보한 것이었습니다.

 30개 원소 중 21개의 원자량은 리처즈 교수와 그의 지도로 측정되었고, 나머지는 리처즈 교수의 지도를 받은 제자들이 이룩한 것입니다.

 이 측정에는 많은 원소들(산소, 은, 염소, 브로민, 아이오딘, 칼륨, 나트륨, 질소와 황)을 포함하고 있는데, 이들의 원자량을 관습적으로 기본이라고 부르는 이유는 다른 모든 원소의 원자량을 계산하고 측정하는 데 기초가 되기 때문입니다.

 단순히 정량적인 관점에서도 이 측정에 포함된 연구는 상당히 정확합니다. 원자량 측정 분야에서 위대한 선구자인 베르셀리우스 이외에 실험적인 화학양론의 발전에 양으로나 범위에서 리처즈 교수만큼 공헌한 연구자는 확실히 없었습니다. 스타스의 경우를 비교해보면 더욱 명백해지는데 베르셀리우스의 사망 이후 이 분야에 가장 뛰어난 대가였던 그는 당시 매우 정확하게 12개 원소의 원자량을 측정하였습니다. 지난 30년 동안 스타스의 원자량 측정은 거의 부정할 수 없을 만큼 정확한 것으로 알려졌습니다. 리처즈 교수는 자신도 오랫동안 믿을 만한 것으로 받아들였기에 철저한 재검사 과정이 필요하다고 생각하지 않았습니다. 아무튼 쿡과 협력하여 첫 과학적 연구를 수행하는 데 성공하였던 시기에 측정하기 시작한 원소들은 스타스의 여러 연구에 포함되지 않았던것들이었습니다. 예를 들면 구리, 바륨, 스트론튬, 아연, 마그네슘, 니켈, 코발트, 철, 우라늄, 칼슘, 그리고 세슘입니다. 리처즈 교수는 이 원소들을 통해 이전의 측정 방법에 상당한 오차가 있다는 것을 발견하고 스스로 채택하고 연습한 방법으로 오차를 피하거나 최소한으로 만들었습니다. 뒤마와 마리그낙 같은 뛰어난 연구자에 의해 원자량이 결정되어 더욱 유명해진 바륨과 같이 정량분석에 매우 중요한 원소가 바로 그런 경우였습니다.

 염화물을 사용하여 스트론튬의 원자량을 결정하는 과정에서 리처즈 교수는 1894년 스타스가 분석한 결과와 상당히 다른 값을 얻었다고 생각했지만, 10년을 더 연구한 후인 1904년이 되어서야 스타스의 측정이 정확성에 대해 신중하면서도 공공연하게 의문을 제기하는 것이 옳다고 확신을 가졌습니다.

 그 당시 스타스의 값들이 보편적으로 옳다고 받아들여졌지만 리처즈 교수는 나트륨의 경우 스타스의 원자량이 너무 크고 반대로 염소는 너무 작다는 것을 논란의 여지 없이 신중하고 훌륭하게 증명하였습니다. 리처즈 교수의 보고서는 그 당시에는 상당히 놀라운 것이었지만 잇따른 연구자들의 시험을 통해 확인되었습니다.

 그는 스타스에 의해 결정된 대부분의 원자량을 다시 결정하였는데(탄소만 제외) 대부분 더욱 정확한 값으로 바꿀 수 있어ㅆ습니다. 이와 같은 재조정중에 과학계의 큰 화제를 불러일으킨 일이 있어ㅆ습니다. 그때까지 스타스가 결정하여 소수점 이하 셋째자리까지 정확하다고 생각한 은의 원자량, 107.938이 107.876(±0.004 오차범위)ㅇ

전 국립기록보관소 소장, 스웨덴 왕립과학원 원장 C. T. 오드너
<당신에게 노벨상을 수여합니다|노벨 화학상|, 노벨 재단 엮음, 우경자·이연희 옮김>

요즘은 무게분석은 대부분 기기분석법으로 대체되었는데, 더 빠르고 노동력이 덜 들기 때문이다.

 무게 분석의 한 예로는 Rose Gotttliteb 법이 있다. Rose Gotttliteb 법은 식품 중 지방의 양을 측정하는 실험이다. 처음 식품시료의 무게를 재고, 단백질을 녹이기 위한 적정한 방법을 사용한 후 암모니아와 에탄올을 첨가해 미세 방울 형태의 지방을 녹인다. 그 후에 지방을 유기용매로 추출한다. 유기용매로 추출을 하게되면 단백질과 탄수화물은 수용액 층에 남고, 유기용매층엔 지방이 남게 되는데 102℃로 유기용매를 증발시킨 후 남은 부분의 무게를 잰다. 이것이 바로 지방의 무게가 된다.

 또다른 간단한 무게 분석의 예로는 Cl^-를 Ag⁺로 침전시켜 정량하는 방법이다.

Ag⁺(aq) + Cl^-(aq) → AgCl(s)

생성물인 AgCl의 질량은 몇 mol의 AgCl이 만들어졌는지를 알려준다. AgCl 1mol에 대해서 미지 시료 용액중에 Cl^- 1mol이 존재함을 알려준다. 분석하고 싶은 화학종을 침전시켜 말린 후 무게를 달면 분석하고자 하는 화학종의 농도를 알 수 있게 된다. 아래의 표는 분석할 물질의 침전물이다. 그리고 분석물질의 방해 가능성이 있는 물질들도 표시했는데, 이들은 분석하기 전에 제거해야할 필요성이 있다.

분석 화학종	침전되는 형태	무게다는 형태	방해 화학종
K+	KB(C6H5)4	KB(C6H5)4	NH4+, Ag+, Hg2+, Tl+, Rb+, Cs+
Mg2+	Mg(NH4)PO4·6H2O	Mg2P2O7	Na+, K+를 제외한 여러 금속들
Ca2+	CaC2O4 ·H2O	CaCO3 또는 CaO	Mg2+, Na+, K+를 제외한 여러 금속들
Ba2+	BaSO	BaSO	Na+, K+, Li+, Ca2+ Al3+Cr3+ Fe3+, Sr2+, Pb2+, NO3-
Cr3+	PbCrO4	PbCrO4	Ag+, NH4+
Mn2+	Mn(NH4)PO4·H2O	Mn2P2O7	많은 금속들
Fe3+	Fe(HCO2)3	Fe2O3	많은 금속들
Co2+	Co(1-nitroso-2-naphthol)2	CoSO4	Fe3+, Pd2+, Zr4+
Ni2+	Ni(dimethylglyoxime)2	Ni(dimethylglyoxime)2	Pd2+, Pt2+, Bi3+, Au3+
Cu2+	CuSCN	CuSCN	NH4+, Pb2+, Hg2+, Ag+
Zn2+	Zn(NH4)PO4·H2O	Zn2P2O7	많은 금속들
Al3+	Al(8-Hydroxyquinoline)3	Al(8-Hydroxyquinoline)3	많은 금속들
Sn4+	Sn(cupferron)4	SnO2	Cu2+, Pb2+, As(III)
Pb2+	PbSO4	PbSO4	Ca2+, Sr2+, Ba2+, Hg2+, Ag+, HCl, HNO3
NH4+	NH4B(C6H5)4	NH4B(C6H5)4	K+, Rb+, Cs+
Cl-	AgCl	AgCl	Br-, I-, SCN-, S2-, S2O32-, CN-
Br-	AgBr	AgBr	Cl-, I-, SCN-, S2-, S2O32-, CN-
I-	AgI	AgI	Br-, Cl-, SCN-, S2-, S2O32-, CN-
SCN-	CuSCN	CuSCN	NH4+, Pb2+, Hg2+, Ag+
CN-	AgCN	AgCN	Cl-, Br-, I-, SCN-, S2-, S2O32-
F-	(C6H5)3SnF	(C6H5)3SnF	알칼리 금속을 제외한 금속, CO32-, SiO44-
ClO4-	KClO4	KClO4
SO42-	BaSO4	BaSO4	Na+, K+, Li+, Ca2+ Al3+Cr3+ Fe3+, Sr2+, Pb2+, NO3-
PO4	Mg(NH4)PO4·6H2O	Mg2P2O7	Na+, K+를 제외한 여러 금속들
NO3-	질산 나이트론	질산 나이트론	ClO4-, I-, SCN-, CrO42-, ClO3-, NO2-, Br-, C2O42-