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15. 굴절율 및 비중 측정법

1. 비중 및 밀도측정법의 개요

굴절률 측정법은 공기에 대한 검체의 굴절률을 측정하는 방법이다.

광선이 어떤 매질로부터 다른 매질로 진행할 때 일반적으로 그 경계면에서 진행방향이 달라진다. 이 현상을 굴절이라 한다.

광선이 등방성의 제 1매질로부터 제 2매질로 들어갈 때 입사각 i의 sin값과 굴절각 r의 sin값과의 비는 입사각에 관계없이 그 두 개의 매질 사이에는 일정하고 이것을 제 2매질의 제 1매질에 대한 굴절률 또는 상대굴절률이라 하며 N으로 나타낸다. N = SIN i / SIN r

제 1매질이 특히 진공인 경우의 굴절률을 제 2매질의 절대굴절률이라 하며 N으로 나타낸다. 등방성의 물질에서 파장, 온도 및 압력이 일정할 때 그 굴절률은 물질에 따라 고유한 정수이다. 따라서 물질의 순도시험 또는 균질한 두 물질의 혼합물의 조성결정 등에 쓰인다.

2. 실험방법

1) 굴절률의 측정은 보통 압빼굴절계를 쓰며 의약품 각조에서 규정한 온도의 ±0.2℃범위 내에서 측정한다.

2) 압빼굴절계는 백색광을 써서 n_D를 직접 읽을 수 있으며 측정할 수 있는 n_D의 범위는 1.3 ~ 1.7, 정밀도는 0.0002이다.

3. 밀도측정법의 개요

밀도ρ(g/mL 또는 g/cm³)는 물질의 단위체적당의 질량이고, 비중 d는 어떤 체적을 가지고 있는 물질의 질량과 그것과 같은 체적의 표준물질의 질량과의 비이며, 이것을 상대밀도라고도 한다. 비중 는 검체와 물(H₂O)과의 각각 온도 t'℃ 및 t℃에서의 같은 체적의 질량비를 말한다.

4. 4. 비중 및 밀도측정방법

4.1 비중병에 의한 측정법

1) 미리 깨끗이 씻고 건조시킨 비중병의 질량 W를 단다.

2) 마개 및 뚜껑을 열어 검체를 채우고 규정온도 t'℃보다 1 ~3℃ 낮게 하여 기포가 남지 않도록

조심하여 마개를 닫는다.

2) 3) 천천히 온도를 올려 온도계가 규정온도를 나타내었을 때 표선의 위쪽의 검체를 측관으로 빼내 측관에 뚜껑을 닫고 외부를 잘 닦은 다음 질량 w₁를 단다.

4) 같은 비중병을 써서 물을 넣어 같은 방법으로 조작하고 규정온도 t℃에서의 질량 W₂를 달아 다음 식에 따라 비중 를 구한다.

=
5) 검체 및 물에 대한 측정을 같은 온도로 할 때 (t' = t), 온도 t'℃에 있어서의 검체의 밀도 를 발표에 나타낸 온도 t'℃에서의 물의 밀도 및 측정된 비중 를 써서 다음 식에 따라

계산할 수 있다.

4.2 쉬프렝겔·오스트발트 피크노메타에 의한 측정법

1) 미리 깨끗이 닦아 건조한 피크노메타를 백금 또는 알루미늄 등의 선 D로 화학천칭의 저울대의 고리에 걸어서 질량W를 단다.

2) 규정온도보다 3 ~ 5℃ 낮은 검체 중에 세관 B를 담근다.

3) A에는 고무관 또는 갈아 맞춘 세관을 붙여 기포가 들어가지 않도록 조심하여 검체를 C의 위까지 빨아 올린다.

4) 규정온도 t'℃의 수욕 중에 약 15분간 담근 다음 B의 끝에 여과지를 대어 검체의 끝을 C에 일치시킨다.

5) 5) 수욕에서 꺼내어 외부를 잘 닦은 다음 질량 W₁를 단다.

6) 6) 같은 피크노메타에 물을 넣어 같은 방법으로 조작하고 그 규정온도 t℃에서 질량 W₂를 단다.

7) 7) 1.1법의 식에 따라 비중 를 계산한다. 또 검체 및 물에 대한 측정을 같은 온도로 할 때 (t'=

t) 제 1법의 식에 따라 온도 t'℃에서의 검체의 밀도 를 계산한다.

4.3 부칭(浮秤)에 의한 측정법

1) 부칭을 에탄올 또는 에텔로 깨끗이 닦은 다음 검체를 유리막대로 잘 섞어 부칭을 넣고 규정온도 t'℃로 한다.

2) 부칭이 정지하였을 때 메니스커스의 윗가장자리에서 비중 또는 밀도 를 읽는다. (온도 t℃는 매니스커스가 검정된 때의 온도를 나타낸다.)

4. 비중 및 밀도측정방법(계속)

4.3 부칭(浮秤)에 의한 측정법(계속)

3) 검체를 측정한 때의 온도 t'℃가 매니스커스가 검정된 때의 온도와 같을 때 (t' = t) 제 1법의 식을 써서 비중 로부터 온도 t'℃에서의 검체의 밀도 를 계산 한다.

5. 실험결과(예시)

5.1 측정한 데이터(굴절율)

5. 실험결과(예시)(계속)

5.2 측정한 데이터(부칭(浮秤)에 의한 비중측정)

6. 결과 및 고찰(예시)

굴절율 실험에서 DMAC, THF, DMF 의 값이 모두 기준치를 만족했으며 미지 시료의 측정에서는 미지시료1은 비중이 0.7904로 Acetone로 추정되고 미지시료2는 비중이 1.0012로 증류수로 추정됨.

KP,EP,USP,JP 비교

4. 참고 문헌 (Reference)

KP VIII, [일반시험법]<5> 굴절률 측정법

EP 4, <2.2.6> REFRACTIVE INDEX

USP 27, <831> REFRACTIVE INDEX

JP XIV, <50> REFRACTIVE INDEX DETERMINATION

5. 절 차 (Procedure)

5.1 시험기구 및 시약(Apparatus & Reagent)

Refractometer, Refractometer Measuring Prism 세척용 용제(메탄올 또는아세톤)

5.2 시험준비(Preparation)

세척용 용제(메탄올 또는 아세톤)로 Refractometer Measuring Prism을 세척한 후 건조해 둔다.

미리 Refractometer를 켜서 기기를 안정화 시킨다.

5.3 시험방법(Testing Method)

5.3.1 KP Method

1) 굴절률은 보통 Abbe굴절계로 의약품각조에서 규정하는 온도의 ± 0.2 ℃ 범위 내에서 측정한다.

2) Abbe굴절계는 백색광을 사용하여 n_D를 직접 읽을 수 있으며 측정할 수 있는 n_D의 범위는 1.3 ~ 1.7이고 정밀도는 0.0002이다.

3) 보통 온도 20℃, 광선은 나트륨 스펙트럼의D선을 쓰며n20 D 로 나타낸다.

5.3.2 EP Method

1) 특별한 설명이 없다면 굴절률은 20±0.5℃에서 Sodium(λ=589.3nm) 파장의 D선을 쓰며 n20 D 로 나타낸다.

2) Calibration 할때 아래표를 기준으로 사용한다.

Reference liquid

△n/△t(temperature coefficient)

Trimethylpentane CRS

Toluene CRS

Methylnaphthalene CRS

- 0.00049

- 0.00056

- 0.00048

3) 백색광을 사용할 때는 굴절계의 보정계가 사용된다.

4) 결과값은 적어도 소수 셋째 자리까지 정확해야 하며 온도와 함께 평균을 구한다.

5) 온도계의 눈금 간격은 0.5℃ 이하이어야 한다.

5.3.3 USP Method

1) 비록 약전에서는 기준 온도가 25°로 되어있지만 대부분 굴절률 실험은20°에서 실험을 요구하고 있다.

2) Refractive index 값은 온도에 아주 민감하므로 온도의 유지에 많은 주의를 기울여야

한다.

3) Sodium(doublet at 589.0nm and 589.6nm) 파장의 D선을 쓴다.

4) 이론적으로 ±0.0001의 정확도를 가지기 위해 온도의 유지, 기기의 청결, 정기적인 Calibration을 하여야 하며 증류수에 대한 refractive index의 값은 20°에서 1.3330 과 25°에서 1.3325이다.

5.3.4 JP Method

1) KP Method와 동일

5.4 계 산

기기에서 측정된 값을 읽어 기록한다.

3. 참고 문헌 (Reference)

KP VIII, [일반시험법]<19>비중 및 밀도측정법

EP 4, <2.2.5> RELATIVE DENSITY

USP 27, <841> SPECIFIC GRAVITY

JP XIV, <12> DETERMINATION OF SPECIFIC GRAVITY AND DAENSITY

4. 절 차 (Procedure)

4.1 시험기구 및 시약(Apparatus & Reagent)

KP Method

제 1법, (USP Method와 동일) - 비중병

보통 10 ~ 100㎖ 유리용기로 온도계가 달려 있는 갈아 맞춘 마개와 표선 및 갈아 맞춘 뚜껑이 있는 측관 (側管)이 있다.

제2법 - 쉬프렝겔ㆍ오스트발트 피크노메타

보통 내용 1 ~ 10㎖의 유리용기로서 그림과 같은 양쪽 끝이 두꺼운 세관 (안지름 1 ~ 1.5 mm , 바깥지름 3 ~ 4mm)으로 되어 있고 한쪽 세관 A에는 표선 C가 있다.

제 3 법 - 부칭계, 메스실린더, 부칭 세척용 에탄올

4. 절 차 (Procedure)(Continued)

4.1 시험기구 및 시약(Apparatus & Reagent)(Continued)

KP Method(Continued)

제 4법 - 진동식밀도계

보통 안쪽 부피 약 1 ㎖의 관모양으로 그 한 끝을 고정한 유리검체셀, 유리검체셀에 초기진동을 주는 발진기, 고유진동주기의 검출부 및 온도조절부로 구성된다.

4.2 시험방법(Testing Method)

4.2.1 KP Method

1) 시험 원리 및 이론(Testing principle and theory)

밀도ρ(g/㎖ 또는 g/cm³)는 물질의 단위부피당의 질량이고, 비중 d는 어떤 부피를 가지고 있는 물질의 질량과 그것과 같은 부피의 표준물질의 질량과의 비이며, 이것을 상대밀도라고도 한다. 비중 는 검체와 물 (H₂O)의 각각 온도 t'℃ 및 t℃에서의 같은 부피의 질량비를 말한다. 따로 규정이 없는 한 측정에는 제 1 법, 제 2 법 또는 제 4 법을 쓰고 수치에 “약” 이라고 기재되어 있을 때는 제 3 법을 쓸 수 있다.

제 4 법 진동식밀도계에 의한 측정법

진동식밀도계에 의한 밀도의 측정은 액체 또는 기체검체를 함유하는 셀의 고유 진동주기 T(s)를 측정하여 검체의 밀도를 구하는 방법이다. 밀도를 측정하려는 액체 또는 기체를 넣은 검체셀에 진동을 줄 때 검체셀은 검체의 질량에 따른 고유진동주기를 가지고 진동한다. 검체셀의 진동하는 부분의 부피를 일정하게 하면 그때의 고유진동주기의 제곱과 검체의 밀도 사이에는 직선관계가 성립한다.

1) 시험 원리 및 이론(Testing principle and theory)(Continued)

이 방법에 따라 검체의 밀도를 측정하려면 미리 규정온도 t'℃에서 2종류의 표준물질(밀도 , )에 대한 각각의 고유진동주기 T_S1및 T_S2 를 측정하고 검체셀정수 K_t’(gㆍcm^{- 3}s^-2)를 다음 식에 따라 정한다.

K_t’ =

보통 표준물질로 물 또는 건조공기를 쓴다. 온도 t'℃에서의 물의 밀도는 표에서 구하고 건조공기의 밀도는 다음 식에 따라 계산한다. 다만 건조공기의 기압을

p kPa 로 한다.

= 0.0012932 ×｛ 273.15 / (273.15 + t') ｝× (p / 101.325)

2) 시험 절차(Testing procedure)

제 1 법 : 비중병에 의한 측정법

① 미리 깨끗이 씻고 건조한 비중병의 질량W를 달고 다음에 마개 및 뚜껑을 열어 검체를 채우고 규정온도 t'℃보다 1 ~ 3℃ 낮은 온도에서 기포가 남지 않도록 조심하여 마개를 닫는다.

② 천천히 온도를 올려 온도계가 규정온도를 나타낼 때 표선 위쪽의 검체를 측관으로부터 빼내 측관에 뚜껑을 닫고 외부를 잘 닦은 다음 질량 W₁을 단다.

③ 같은 비중병에 물을 넣어 같은 방법으로 조작하고 규정온도 t℃ 에서의 질량 W₂를 달아 다음 식에 따라 비중 를 구한다.

④ 검체 및 물을 가지고 같은 온도에서 측정할 때 (t' = t), 온도 t'℃에 있어서의 검체의 밀도 를 표에 나타낸 온도 t'℃에서의 물의 밀도 및 측정한 비중 를 써서 5.4 식에 따라 계산한다.

제 2 법 : 쉬프렝겔ㆍ오스트발트 피크노메타에 의한 측정법

① 미리 깨끗이 닦아 건조한 피크노메타를 백금 또는 알루미늄 등의 선 D로 화학천칭의 저울대의 고리에 걸어서 질량 W를 단 다음에 규정 온도보다 3 ~ 5℃ 낮은 검체 중에 세관 B를 담근다.

② A에는 고무관 또는 갈아 맞춘 세관을 붙여 기포가 들어가지 않도록 조심하여 검체를 C의 위까지 빨아올린다.

③ 다음에 규정온도 t'℃의 수욕 중에 약 15 분간 담근 다음 B의 끝에 여과지를

대어 검체의 끝을 C에 일치시킨다.

④ 수욕에서 꺼내어 외부를 잘 닦은 다음 질량 W₁을 단다. 같은 피크노메타에 물을

넣어 같은 방법으로 조작하고 그 규정온도 t℃에서 질량 W₂를 단다.

제 3 법 부칭(浮秤)에 의한 측정법

① 부칭을 에탄올 또는 에텔로 깨끗이 닦은 다음 검체를 유리막대로 잘 섞어 부칭을

넣고 규정온도 t'℃로 한 다음 정지하였을 때 메니스커스의 윗가장자리에서 비중 또는 밀도를 읽는다.

② 다만 온도 t℃는 메니스커스가 검정된 때의 온도를 나타낸다. 또한 읽는 방법이

표시되어 있는 부칭은 그 방법에 따른다.

제 4 법 진동식밀도계에 의한 측정법

① 검체셀, 물 및 검체의 온도를 측정 온도 t'℃로 미리 조정해 둔다. 검체셀을 물 또는 적당한 용매로 씻은 다음 건조공기를 통하여 충분히 건조한다.

② 건조공기의 흐름을 멈추고 일정 온도가 유지되는 것을 확인한 다음 건조공기의

고유진동주기 T_S2를 측정한다. 따로 측정장소의 대기압 p kPa를 측정한다.

③ 다음에 검체셀에 물을 넣어 물의 고유진동주기T_S1을 측정한다. 물 및 건조공기를

가지고 측정한 이들 값을 써서 검체셀정수 K_t′를 정한다.

④ 다음에 검체셀에 검체를 넣어 일정 온도가 유지되어 있는 것을 확인한 다음

검체에 의한 고유진동주기 TT를 측정한다. 물 및 검체의 고유진동주기, 물의

밀도 및 검체셀정수 K_t′를 써서 검체의 밀도를 구한다.

⑤ 또 필요하면 온도 t℃의 물에 대한 검체의 비중는 표에 나타낸 물의 밀도를

써서 계산할 수 있다. 또한 검체셀에 검체 및 물을 넣을 때 기포가 들어가지 않도록 조심한다.

<표. 물의 밀도>

온도 ℃	밀도 g/㎖	온도 ℃	밀도 g/㎖	온도 ℃	밀도 g/㎖	온도 ℃	밀도 g/㎖
0	0.99984	10	0.99970	20	0.99820	30	0.99565
1	0.99990	11	0.99961	21	0.99799	31	0.99534
2	0.99994	12	0.99950	22	0.99777	32	0.99503
3	0.99996	13	0.99938	23	0.99754	33	0.99470
4	0.99997	14	0.99924	24	0.99730	34	0.99437
5	0.99996	15	0.99910	25	0.99704	35	0.99403
6	0.99994	16	0.99894	26	0.99678	36	0.99368
7	0.99990	17	0.99877	27	0.99651	37	0.99333
8	0.99985	18	0.99860	28	0.99623	38	0.99297
9	0.99978	19	0.99841	29	0.99594	39	0.99259
10	0.99970	20	0.99820	30	0.99565	40	0.99222

4.2.2 EP Method

1) 시험 원리 및 이론(Testing principle and theory)

① 상대밀도 d₂₀₂₀는 20℃에서 일정한 부피를 갖는 물의 질량에 대한 같은 부피, 온도에서의 검체의 질량비이다. 피크노미터, 액체비중계 또는 부칭 등을 사용하여 상대밀도를 구할 수 있다.

② 상대밀도 d₂₀₄는 4℃에서 일정한 부피를 갖는 물의 질량에 대한 20℃에서 같은 양의 검체의 질량비이다.

③ 검체의 밀도 ρ₂₀ 는 20℃에서의 부피에 대한 질량비이고 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(1Kg ㆍ m^-3 = 10^-3 g ㆍ cm^-3)

상대밀도와 밀도의 상관관계는 다음과 같다.

ρ₂₀ = 998.202×d₂₀₂₀ 또는 d₂₀₂₀ = 1.00180×10^-3×ρ₂₀

ρ₂₀ = 999.972×d₂₀₄ 또는 d₂₀₄ = 1.00003×10^-3×ρ₂₀

d₂₀₄ = 0.998230×d₂₀₂₀

4.2.3 USP Method

1) 시험 원리 및 이론(Testing principle and theory)

따로 제정된 것이 없다면 비중은 단지 액체일때만 적용되고 25℃의 일정한 부피를 갖는 물의 질량에 대한 같은 부피, 온도에서의 검체의 무게비이다. 그리고 온도가 지정되어있다면 비중은 그 온도에서의 일정부피를 갖는 물의 무게에 대한 그 온도에서의 같은 부피를 갖는 검체의 무게비이다.