[유기화학실험] 분별증류 예비 결과 레포트

1. 목적

(a) 끓는점 차이를 이용하여 두 액체 혼합물을 분리할 수 있다.

(b) 분별 증류에 필요한 기구를 바르게 장치할 수 있다.

 

 

2. 기구&시약

(a) Apparatus (기구)

스탠드, 클램프. 끓임쪽, 둥근바닥 플라스크, 디스텔레이션 헤드, 비글렉스 냉각기, 연결관, 클립, 온도계, 고무관, 메스 실린더, 그리스, 높낮이 바침대, 테이프(라벨링)

 

(b) Reagent (시약)

증류수, 메탄올

 

 

3. 시약조사

Correct Name	Formula	화학식량 (g/mol)	밀도 (g/cm3)	녹는점( °C)	끓는점( °C)
Methanol	CH3OH	32.05	0.7918	-97	64.7
Water	H2O	18.01528	0.997	0	100

∙Methanol

메탄올은 가장 간단한 알코올 화합물로, 무색의 휘발성, 가연성, 유독성 액체이다.

메탄올은 인체 내에 흡수 시, 폼알데하이드 (HCHO) 라는 물질로 변환되어 인체에 치명적이다.

메탄올을 마실 시, 급성중독 (메틸알코올 중독)을 일으키고, 두통, 현기증, 구토, 복통, 설사 등의 증상이 나타날 수 있으며, 심할 때에는 혼수상태가 되어 사망한다.

 

∙Water (물) - Distilled Water (증류수)

증류수는 물을 가열했을 때 발생하는 수증기를 냉각시켜 정제된 물을 말한다.

증류수는 수돗물이나 우물물을 가열하여 수증기를 발생시키고, 만들어진 수중기를 냉각시켜 얻을 수 있다.

 

 

4. 이론

(a) 증류 (Distillation)

  증류란 액체 혼합물(액체에 액체가 혼합된 경우 또는 고체 용질이 녹아있는 경우)을 끓는점의 차이를 이용하여 분리하는 방법이다.  증류를 통해 순수한 액체 물질을 얻을수도 있고, 액체 물질의 순도를 조절할 수 있다. 증류는 화학적 성질은 변화시키지 않고, 물리적인 성질 (끓는점)을 이용하여 물질을 분리하는 방법이다.

  분별은 크게 단순증류(simple distillation- 필요한 물질을 불순물로부터 증발시켜 얻는 방법)과 분별증류(fractional distillation- 서로 다른 액체들이 혼합되어 있는 화합물을 끓는점 차이를 이용하여 분리하는 것)으로 나뉜다.

 

(b) 분별증류 (Fractional Distillation)

  분별 증류는 끓는점이 다른 혼합물을 가열하여 끓는점이 낮은 것부터 높은 것을 유출하여 혼합물을 분리하는 과정이다. 분별 증류가 정확하게 이루어지기 위해서는 두 개의 조건을 만족시켜야하는데, 첫째, 끓는점 차이가 너무 적게 나면 안 된다. 둘째, 불변 끓음 혼합물의 조성이면 안되는데, 이는 혼합물임에도 불구하고 끓는점이 하나로 일정한 혼합물이기 때문이다.

  분별증류의 방법은 원유를 분리할 때 사용이 되는데, 정유 공장에서는 원유를 분별 증류하면 탄화수소의 끓는 점 차이에 따라 여러 성분으로 분리되어서 나온다. 상압증류탑에서는 끓는점에 의해 가장 가벼운 LPG 부터 가장 무거운 아스팔트까지 여러 제품으로 분리가 된다. 상압증류탐에서 증류되는 순서는 LPG (끓는점: -25°C), 휘발유 (끓는점: 40-75°C), 나프타 (끓는점: 75-150°C), 등유 (끓는점: 150-240°C), 경유 (끓는점: 220-250°C), 중유 (끊는 점: 350°C 이상)이다. 마지막으로 원유를 증류할 때 얻어지는 잔류물은 아스팔트이다.

 

(c) 증기압

  증기압은 액체의 기화에 의한 압력으로 액체와 기체가 동적평형상태로 아무런 반응이 일어나지 않는 것으로 보이는 상태에서의 기체의 압력을 의미한다. 증기압은 물질마다 고유의 값을 가지고, 온도에 따라 달라질 수 있다. 증기압이 도달할 수 있는 상한선을 포화증기압이라고 하는데 이는 끓는점이 낮을수록 크고, 온도에는 비례한다.

 

(d) 라울의 법칙

라울의 법칙 공식

라울의 법칙은 용매에 유기화합물을 용해한 용액에서 적용되는 법칙이다. 간단하게 요약하자면, 용매 속 용매의 증기압은 용매의 몰분율에 비례하며, 용액의 증기압내림률은 용질의 몰분율과 같다는 법칙이다. 증기압은 액체의 기화에 의한 압력으로, 다른 용질이 용매에 섞여들어가면서 증기압을 낮추는 현상을 나타낸다.

 

(e) 이상용액의 끓는점 도표

 

출처 : 앳킨스의 물리화학 10판

 

이상용액이란 비휘발성 용질이 녹아있는 용매에 대해서 용매의 증기압이 용매의 몰분율에 비례하는 용액이다. 위의 라울의 법칙으로 벗어나 있는 용액들을 비이상 용액 (nonideal solution)이라고 부른다.  

 

(f) 불변 끓음 혼합물 (azeotrope)과 끓는점 도표

출처 : 앳킨스의 물리화학 10판, 극대점을 가지는 불변 끓음 혼합물

대부분의 혼합물들은 위와 같은 상평형 그림을 가지게 되나 그것에서 벗어나는 경우 불변 끓임 혼합물 (azeotrope)이라고 부른다.

위 그림에서는 A와 B간의 인력으로 인해, 혼합물의 증기압이 낮아지면서 끓는 점이 높아지는 경우이다. 위의 경우에서는 A와 B의 상호작용으로 인해 액체는 안정화되며, 깁스에너지도 음수로 나오게 된다. 

 

출처 : 앳킨스의 물리화학, 극소점을 가지는 불변 끓음 혼합물

 이 같은 경우에는 A와 B의 상호작용이 약해 잘 혼합이 되지 않고 양의 깁스에너지를 갖는다. 이러한 경우에는 온도를 증류관에는 함께 끓은 혼합물이 남게 된다.

 

 

5. 실험과정

(a) 실험기구 세팅하기

(1) 용액이 담긴 플라스크를 heating mentle안에 넣어둔다.

(2) 비글렉스 냉각기를 꽂아주면서, 이때 이음새에 그리스를 바르고 돌려가면서 확실하게 고정한다.

(3) 플라스크를 스탠드에 고정한다. (버그렉스 냉각기도 스탠드에 고정해주는 것도 좋다)

(4) 비그렉스 냉각기 위에 디스틸레이션 헤드를 설치하고 그 옆에 리비히 냉각기를 고정한다.

(5) 리비히 냉각기도 스탠드에 고정하고 연결관을 꽂아준다.

(6) 연결관 아래에 플라스크를 위치시키고 높이를 조정한다.

(7) 리비히 냉각기에 호스를 연결한다. 아래쪽 호스는 물이 들어갈 수 있도록 수도꼭지에 연결하고, 위쪽 호스는 물이 나올 수 있도록 싱크대에 둔다.

(8) 디스틸레이션 헤드 위쪽에 마개를 끼운 온도계를 설치한다. 정확하게 측정하기 위해서 온도계의 밑부분을 디스틸레이션 헤드에서 리비히 냉각기로 통하는 위치에 두어야 한다.

 

(b) 실제 실험과정

(1) 둥근바닥 플라스크에 메탄올과 증류수를 각각 60ml씩 섞은 용액을 넣는다. 용액의 양을 측정하기 위해 매스실린더로 측정한다.

(2) 플라스크 안에 2-3개의 끓임쪽을 넣는다. 이는 용액이 끓어넘치는 것을 방지하기 위한 것이다.

(3) 혼합 용액을 가열한다.

(4) 증류된 액체를 각각 온도에 따라 구별하여 모은다. A플라스크는 64-70도, B플라스크는 70-80도, C플라스크는 80-90도, D플라스크는 90-95도에서 모은다.

(5) 95℃ 이상이 되면 증류를 멈추고 둥근바닥 플라스크를 E로 지정한다.

(6) 각각의 플라스크에 모아진 액체의 부피를 매스실린더를 이용하여 측정한다.

 

 

6. 유의점

∙ 메탄올 취급 시 열로부터 멀리하고 보관시 환기가 잘 되는 곳에 두어야하며 용기는 세게 밀폐해야한다.

∙ 실험기구를 설치하는 단계에서 스탠드에 기구를 단단히 고정하여 떨어져서 깨지지 않도록 유의한다.

∙ 실험실 출입 시, 실험복, 보안경, 장갑, 발등 덮이는 신발을 착용하고 머리를 묶어야하며 음식물을 섭취하는 것은 금지된다.

∙ 가열할 때는 화상을 입지 않도록 주의하고 뜨거운 기구를 만질 때는 두꺼운 장갑을 착용한다.

∙ 플라스크가 구별이 되도록 라벨링을 철저하게 한다.

∙ 갑자기 끓어오르는 것을 방지하기 위해 끓임쪽을 넣는다.

 

7. 결과

플라스크	온도 구간(℃)	증류량(mL)	수득률(%)
A	64-70	2.12	3.53
B	70-80	41.50	69.17
C	80-90	17.80	29.67
D	90-95	7.20	12.00
E	95 이상	43.20

(a) 수득률을 계산

 

 

8. Discussion

① 처음 넣은 증류수와 메탄올의 양과 비교하여 수득한 증류량의 비율은 어떠한가?

증류수 : 메탄올 : A 플라스크 + B 플라스크 + C 플라스크 + D 플라스크

= 60 : 60 : 68.62

≒ 1 : 1 : 1.14

증류수 + 메탄올 : A 플라스크 + B 플라스크 + C 플라스크 + D 플라스크

= 120:68.2

 

② 분별 증류관을 이용할 때, 왜 모든 혼합물을 완전히 증류하여 분류하는 것이 불가능할까?

위의 실험에서는 메탄올과 증류수의 두 물질이 혼합되어 있다. 이때에는 불변 끓음 혼합물이 되면서 분별 증류관에서 끓는점이 하나로 일정하여 증류를 통해 완전히 분리할 수가 없다. 또한 실험속의 오차도 존재하기 때문에, 완전히 분류하는 것은 불가능하다.

 

③ 분별 증류를 여러 번 반복한다면 수득률은 어떻게 될까?

위의 실험은 끓는점의 차이에 따라 분별 증류를 통해 혼합물 속의 액체를 분리한다. 만약에 한 번 증발된 증기를 응축시켜 액체로 바꾼 다음 부분적으로 증발시키고 반복한다면 증기속 메탄올의 비율은 더더욱 높아질 것이다. 실제로 위의 실험결과를 보면 68.62mL가 이론적인 메탄올 함량인 60mL보다 많은 것을 확인할 수 있다.

 

④ 오차가 생길 수 있는 모든 가능성을 생각하여 적어보자.

∙ 실험장치를 설치하는 과정에서 틈새를 메꾸지 못해 기체가 실험 도중에 밖으로 새어나왔을 수 있다.

∙압력에 따라 물질의 끓는점은 달라질 수 있다.

∙물질의 양을 측정하는 과정에서 발생하는 오차가 있다.

∙응축을 시키는 과정에서 대기 중에 포함된 수증기가 포함되었을 수 있다.

 

 

 

[자료출처]

메탄올: https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%A9%94%ED%83%84%EC%98%AC

메탄올: https://www.scienceall.com/%EB%A9%94%ED%83%84%EC%98%ACmethanol/

증류수: https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1143922&cid=40942&categoryId=32251

분별증류 :https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%B6%84%EB%B3%84_%EC%A6%9D%EB%A5%98

 

라울의법칙, 공비혼합물: <Physical Chemistry, Atkins, 10th edition>– p187, p206, p207