2024년 서울시 연구사 환경화학 7번

 

푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR) 및 양자역학적 상태 변화 문제

문제

푸리에 변환 적외선 분광법에서 사용하는 고분자의 양자역학적 상태 변화로 가장 옳은 것은?

1. 전자의 양자도약
2. 분자오비탈의 양자 에너지 상태 변화
3. 분자진동의 양자 에너지 상태 변화
4. 분자병진의 양자 에너지 상태 변화

정답

3번

해설

• 1번 (부정확): 전자의 양자도약은 전자 준위 간 전이로, UV-Vis 분광법(10⁴ cm⁻¹)에서 관찰된다. FTIR(400~4000 cm⁻¹)은 전자 전이와 무관하다.
• 2번 (부정확): 분자오비탈의 에너지 상태 변화는 전자 전이(HOMO → LUMO)를 의미하며, 역시 UV-Vis 영역과 관련 있다. FTIR에서는 관찰되지 않는다.
• 3번 (정확): FTIR은 분자의 진동 에너지 준위 간 전이(v = 0 → v = 1)를 측정한다. 고분자의 작용기(예: C=O, O-H)의 신축/굽힘 진동이 적외선 흡수로 나타난다.
• 4번 (부정확): 분자병진은 마이크로파 영역(<1 cm⁻¹)에서 관찰되며, FTIR의 적외선 영역과 무관하다.

푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR) 상세 설명

FTIR은 적외선(파수 400~4000 cm⁻¹)을 시료에 조사하여 분자의 진동 에너지 준위 간 전이에 의한 흡수 스펙트럼을 분석하는 기술이다. 고분자의 작용기와 구조를 정성 및 정량적으로 분석한다.

1. FTIR의 원리

• 적외선 흡수: 분자의 진동 모드(신축, 굽힘 등)에 의한 쌍극자 모멘트 변화로 적외선을 흡수.
• 푸리에 변환: 간섭계로 얻은 시간 영역 신호를 파수 영역 스펙트럼으로 변환.
• 고분자 적용: 작용기별 흡수(예: C=O ~1700 cm⁻¹, O-H ~3200~3600 cm⁻¹).

2. 양자역학적 상태 변화

분자의 에너지는 전자, 진동, 회전, 병진 에너지로 나뉜다:

에너지 종류	에너지 범위	관련 분광법
전자 전이	~10⁴ cm⁻¹	UV-Vis 분광법
진동 전이	10²~10³ cm⁻¹	IR 분광법(FTIR)
회전 전이	10⁰~10² cm⁻¹	IR, 마이크로파 분광법
병진 전이	<1 cm⁻¹	마이크로파 이하

FTIR은 주로 분자진동의 양자 에너지 상태 변화(v = 0 → v = 1)를 측정한다.

3. 장점

• 고분자 구조 분석(작용기, 결합 상태).
• 비파괴적, 빠른 측정.
• 정성 및 정량 분석 가능.

4. 한계

• 쌍극자 모멘트 변화 없는 진동 감지 불가.
• 복잡한 고분자 혼합물 해석 어려움.
• 수분 흡수 간섭 가능.

고분자의 양자역학적 상태 변화 및 FTIR

문제

푸리에 변환 적외선 분광법에서 사용하는 고분자의 양자역학적 상태 변화로 가장 옳은 것은?

1. 전자의 양자도약
2. 분자오비탈의 양자 에너지 상태 변화
3. 분자진동의 양자 에너지 상태 변화
4. 분자병진의 양자 에너지 상태 변화

정답

3번

해설

• 1번 (부정확): 전자의 양자도약은 UV-Vis 분광법(~10⁴ cm⁻¹)에서 관찰되며, FTIR(400~4000 cm⁻¹)과 무관.
• 2번 (부정확): 분자오비탈의 에너지 상태 변화는 전자 전이(HOMO → LUMO)를 의미하며, UV-Vis 영역에서 관찰. FTIR과 관련 없음.
• 3번 (정확): FTIR은 분자진동의 양자 에너지 상태 변화(v = 0 → v = 1)를 측정. 고분자의 작용기(예: C=O ~1700 cm⁻¹) 진동이 이에 해당.
• 4번 (부정확): 분자병진은 마이크로파 영역(<1 cm⁻¹)에서 관찰되며, FTIR과 무관.

고분자의 양자역학적 상태 변화 상세 설명

1. 전자의 양자도약 (Electronic Transition)

전자의 양자도약은 전자가 낮은 에너지 준위(HOMO)에서 높은 준위(LUMO)로 전이하는 과정이다.

• 에너지 범위: ~10⁴~10⁵ cm⁻¹ (UV-Vis, ~200~800 nm).
• 분광법: UV-Vis 분광법.
• 고분자 예: 폴리아세틸렌의 π → π* 전이(~260 nm).
• FTIR 관련성: FTIR(400~4000 cm⁻¹)은 전자 전이와 무관.

2. 분자오비탈의 양자 에너지 상태 변화

분자오비탈의 에너지 상태 변화는 전자의 오비탈 간 전이(전자 전이)를 의미한다.

• 에너지 범위: ~10⁴~10⁵ cm⁻¹ (UV-Vis).
• 분광법: UV-Vis, 형광 분광법.
• 고분자 예: 폴리스티렌의 방향족 고리 π → π* 전이.
• FTIR 관련성: FTIR과 무관.

3. 분자진동의 양자 에너지 상태 변화

분자진동은 원자 간 상대적 운동(신축, 굽힘 등)에 의한 에너지 준위 전이로, FTIR의 핵심이다.

• 에너지 범위: 10²~10³ cm⁻¹ (적외선, ~2.5~25 μm).
• 분광법: FTIR.
• 고분자 예: 폴리에틸렌(C-H ~2900 cm⁻¹), 폴리에스테르(C=O ~1700 cm⁻¹).
• 메커니즘: 진동 에너지 준위는 조화 진동자 모델(E_v = hν (v + 1/2))로 설명되며, 쌍극자 모멘트 변화 필요.
• FTIR 관련성: FTIR은 분자진동 전이를 직접 측정.

4. 분자병진의 양자 에너지 상태 변화

분자병진은 분자 전체의 공간 이동으로, 에너지 준위 간격이 매우 작다.

• 에너지 범위: <1 cm⁻¹ (마이크로파 이하).
• 분광법: 마이크로파 분광법(제한적).
• 고분자 예: 고분자는 고체/액체 상태에서 병진 운동 분석이 비현실적.
• FTIR 관련성: FTIR과 무관.

5. 비교 표

상태 변화	에너지 범위	분광법	FTIR 관련성
전자 양자도약	~10⁴~10⁵ cm⁻¹	UV-Vis	무관
분자오비탈 변화	~10⁴~10⁵ cm⁻¹	UV-Vis	무관
분자진동 변화	10²~10³ cm⁻¹	FTIR	주요 대상
분자병진 변화	<1 cm⁻¹	마이크로파	무관

6. FTIR에서의 고분자 분석

FTIR은 고분자의 진동 전이를 통해 구조를 분석:

• 작용기: C=O (~1700 cm⁻¹), C-H (~2900 cm⁻¹).
• 결정화도: 결정/비결정 영역의 진동 차이.
• 정량 분석: 작용기 농도 측정.