학문
활성탄 관련 실험 방법에 대해 여쭤보고 싶어요
1. 만약 식용색소를 여과하는 흡착 실험을 하고자한다면 정량적으로 어떻게 실험결과를 도출할 수 있을까요..
2. 메틸렌블루 흡착 실험방법의 기본적인 틀을 따르되, 메틸렌블루 대신 식용색소나 메틸 오렌지 용액을 넣은(물에 녹인) 액체에 활성탄을 넣고 교반하여 실험을 진행해도 될까요?
3. 2와 같은 실험을 진행할때엔 분광광도계를 사용하지 않고 정량적인 결과를 도출할 수 있는 방법이 있나요?
1개의 답변이 있어요!
안녕하세요, 다소여유로운나무늘보님.
이중철 융복합 과학기술 전문가입니다.
먼저, 질문하신 내용에 대해 전체적인 개요부터 차근차근 말씀을 드리자면, 식용색소나 메틸오렌지를 활용한 흡착 실험은 기존의 메틸렌블루 실험과 동일한 원리와 과정으로 진행할 수 있습니다. 또한 학교에 분광광도계와 같은 전문 측정 장비가 없더라도, 스마트폰 어플리케이션이나 직접 만든 기준 용액을 활용하면 충분히 과학적이고 훌륭한 정량적 측정 결과를 얻을 수 있답니다.
■ 식용색소 흡착 실험의 정량적 결과 도출 원리
정량적인 결과를 도출한다는 것은 단순히 눈으로 보기에 색이 연해졌다는 느낌을 넘어서, 실제로 색소가 얼마만큼 줄어들었는지 구체적인 숫자로 계산하는 과정을 말합니다. 이를 위해서는 활성탄을 넣기 전 초기 색소의 농도와 활성탄을 넣고 여과한 후 남아있는 색소의 농도 차이를 구해야 합니다. 처음에 있던 색소의 양에서 실험 후 남은 색소의 양을 빼면 활성탄이 흡수한 색소의 양이 나옵니다. 이 감소한 색소의 양을 사용한 활성탄의 무게로 나누어주면, 활성탄 1그램당 색소를 얼마나 흡착했는지 수치로 계산할 수 있습니다. 결국 이 실험을 정량적으로 증명하기 위한 핵심은 여과된 용액에 남아있는 색소의 농도를 얼마나 정확하게 숫자로 측정해 내느냐에 달려 있는 것이랍니다.
■ 메틸렌블루 대체 물질 사용 가능 여부
질문하신 것처럼 메틸렌블루 대신 식용색소나 메틸오렌지를 물에 녹여 사용해도 실험은 보통 아주 잘 진행됩니다. 용액에 녹아있는 물질만 바뀔 뿐, 일정량의 액체에 활성탄을 넣고 정해진 시간 동안 젓기(교반)를 한 뒤 거름종이로 걸러내는 기본적인 실험의 과정은 똑같이 적용할 수 있습니다. 오히려 화학적으로는 아주 좋은 탐구 접근 방식이 될 수 있어요. 메틸렌블루는 물에 녹았을 때 양이온(플러스 전하)을 띠는 색소이고, 메틸오렌지는 음이온(마이너스 전하)을 띠는 색소입니다. 활성탄의 종류나 표면 상태에 따라 양이온과 음이온 중 어떤 것을 더 잘 흡착하는지 차이가 날 수 있기 때문에, 이 두 가지 색소를 비교해서 실험을 해 보면 아주 훌륭하고 깊이 있는 과학 탐구 주제가 될 수 있는 것이지요.
■ 분광광도계 없이 정량적인 결과를 얻는 방법
실험실 환경에서 빛의 흡수율을 측정하는 분광광도계가 없을 때 활용할 수 있는 가장 타당하고 현실적인 방법은 아래와 같이 크게 두 가지가 있습니다.
첫 번째는
표준계열법이라고 부르는 기준 색상표를 직접 만드는 방법입니다. 실험에 사용할 가장 진한 색소 원액의 농도를 100이라고 가정합니다. 그리고 물과 일정한 비율로 섞어 농도가 80, 60, 40, 20인 용액들을 미리 만들어 투명한 유리관이나 시험관에 같은 양으로 담아둡니다. 그 후 활성탄으로 실험을 마친 여과액을 이 기준 용액들과 나란히 두고, 뒤에 흰 종이를 댄 상태에서 색의 진하기를 비교하여 대략적인 농도를 숫자로 추정하는 방법입니다.
두 번째는
스마트폰의 색상 분석 어플리케이션을 활용하는 방법으로 최근 중고등학교 실험에서 가장 권장되는 과학적인 방식입니다. 앞서 만든 농도 20부터 100까지의 기준 용액들을 동일한 밝기의 조명 아래에서 스마트폰으로 촬영합니다. 그리고 이미지의 RGB 색상 수치를 분석해 주는 무료 앱을 이용해 각 용액의 색상 픽셀 농도 수치를 측정합니다. 농도에 따라 색상 수치가 어떻게 변하는지 모눈종이나 엑셀 프로그램에 점을 찍고 선으로 연결하여 기준 그래프(검량선)를 그립니다. 다음으로 우리가 실제 실험해서 얻은 여과액을 똑같은 조건에서 촬영하고 분석 앱으로 수치를 확인한 뒤, 미리 그려둔 그래프의 어느 위치에 해당하는지 찾아보면 기계 없이도 상당히 정확한 농도를 계산해 낼 수 있답니다.
정리하자면,
활성탄 흡착 실험 시 메틸렌블루 대신 식용색소나 메틸오렌지를 교차로 사용하는 것은 과학적으로 접근할 때 매우 타당하며 동일한 교반 및 여과 방식으로 실험을 진행하면 됩니다. 또한 고가의 측정 장비가 없더라도 농도별로 기준 용액을 만들어 색상을 비교하거나, 스마트폰 어플리케이션을 활용해 색상 수치에 대한 기준 그래프를 그리는 방식을 사용하면 중고등학생 수준에서 논리적이고 충분히 신뢰할 수 있는 정량적 실험 결과를 도출해 내실 수 있을 것이랍니다.
※ 질문자님을 포함하여 소중한 분들의 건강, 재산과 안전을 지키고, 혹시나 발생할 수 있을 다양한 문제 상황에 놓이지 않기 위해서라도 저를 포함하여 다양한 토픽에서 활동하는 모든 전문가분들의 아하 지식커뮤니티에서의 답변은 예외 없이 참고 용도로만 유용하게 활용하시기 바랍니다.😉