[일반화학실험] 2. 재결정 레포트

1. 목적 : 산-염기 성질을 이용해서 용해도가 비슷한 두 물질을 분리하고 정제한다. 

 

 

2. 시약&기구

• 시약 : 벤조산과 아세트아닐라이드 혼합물(약 1:1), 3M NaOH 수용액, 5M HCl 수용액
• 기구 : 저울, 오븐, 가열판, 비커(100mL), 눈금 실린더, 눈금 피펫(or 1회용 피펫), 유리 막대, 시계접시, 온도계, 뷰흐너 깔때기, 감압 플라스크, 감압기, 얼음 중탕 또는 물중탕, 거름종이, pH 거름종이

 

3. 원리

(1) 재결정 : 온도에 따라 용해도가 다른 점을 이용해 혼합물에서 원하는 물질을 순수한 상태로 분리시키는 방법

 

(2) 온도에 따른 용해도

① 대부분의 경우 : 화합물이 용매에 녹는 용해 과정은 흡열 과정이므로 온도가 높아질수록 용해도 증가

② 아세트산 나트륨 : 물에 녹이는 것은 발열 과정이므로 온도가 높아질수록 용해도 감소

 

(3) 용해도

① 포화 용액 : 주어진 온도에서 어떤 물질이 용매에 더 이상 녹지 않을 때까지 녹인 용액

② 용해도 : 용매 100g에 녹을 수 있는 용질의 양

③ 극성 용질은 극성 용매에 잘 녹고, 비극성 용질은 비극성 용매에 잘 녹는다.

 

(4) 재결정 방법 시 용매의 선택

불순물의 용해도는 크고 원하는 물질의 용해도는 비교적 작게 하는 용매를 선택해야 한다. 또한 온도가 높을 때와 낮을 때의 용해도 차이는 회수할 수 있는 물질의 양을 결정하기 때문에 온도에 따른 용해도의 차이가 큰 용매일수록 더 바람직하다. 이와 같은 정보를 실험 전에 미리 아는 것이 쉽지 않은 경우 적은 양의 용매를 사용하여 높은 온도로 포화 용액을 만든 후 충분히 낮은 온도까지 냉각시켜 재결정하는 일반적인 방법을 사용한다.  그러나 지나치게 적은 양의 용매를 사용하거나 너무 낮은 온도로 냉각시키게 되면 불순물도 함께 침전으로 떨어지게 되어서 순수한 물질을 분리하지 못하게 될 수도 있다.

 

(5) 고체의 용해도

① 순수한 고체 : 고체가 녹는 동안에 온도가 거의 변화하지 않아서 녹는 온도의 범위가 매우 좁다.

② 불순물로 오염된 경우 : 순수 물질보다 낮은 온도에서 녹기 시작하여 혼합물이 녹으면서 온도가 계속 올라 고체 혼합물이 녹는 온도의 범위가 상당히 넓어지게 된다. 따라서 고체 시료가 녹기 시작해서 완전히 녹을 때까지의 온도 범위를 측정하면 고체 시료의 순도를 쉽게 알아낼 수 있다.

③ 혼합물 시료에는 용매에 거의 녹지 않는 불순물이 섞여 있을 수도 있다. 이런 경우에는 용매에 녹는 부분만 녹이고 녹지 않는 불순물은 걸러낸 다음에 재결정하는 방법을 사용할 수 있다.

 

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(6) 침전이 형성되지 않는 경우

• 과포화 용액 또는 과냉각 용액 : 뜨거운 용액을 식힐 때 포화용액이 되는 온도에서도 침전이 형성되지 않는 용액 → 이런 비평형 상태의 용액에 얻고자 하는 물질("씨앗"(seed)이라고 함)을 조금 넣어주거나, 유리 막대로 용기의 벽을 문질러 주면 갑자기 결정이 생기는 경우가 있다.
• 그러나 결정이 형성되는 속도가 너무 빠르면 입자의 크기가 매우 작아서 결정을 씻는 과정에서 쉽게 녹을 수도 있고, 결정의 내부에 불순물이 갇혀서 함께 침전이 되는 경우가 있다. → 재결정 방법을 사용할 때는 용액을 식히는 속도를 낮추어서 크기가 충분히 큰 결정이 서서히 만들어지도록 하는 것이 좋다.

 

(7) 거르기

걸러낸 침전의 표면에는 불순물이 포함된 용액이 묻어 있기 때문에 차가운 용매로 씻어내어야 한다.

이때 용매의 온도가 너무 높거나 너무 많은 양을 사용하면 회수한 침전이 다시 녹아버릴 수 있기 때문에 조심해야 한다.

 

(8) 실험 반응

아세트아닐라이드와 벤조산의 혼합물을 분리해서 재결정 방법으로 정제한다.

두 화합물은 모두 물에 조금씩 녹지만, 벤조산의 경우 염기성 용액에서 해리되기 때문에 용해도가 더 커진다.

따라서 먼저 염기성 수용액에서 아세트아닐라이드를 침전으로 분리한 다음, 용액을 산성으로 변화시켜서 벤조산의 침전물을 얻는다.

 

 

4. 유의사항

1. 용액을 거를 때는 먼저 액체를 따른 다음에 고체를 거름종이 위로 옮긴다. 침전물을 씻을 때는 먼저 차가운 물을 비커에 넣고 비커에 남아있는 침전물과 함께 여과지에 따른다.
2. 시간이 충분하지 못하면 실험 A에서 아세트아닐라이드만 회수해도 된다.
3. 회수한 침전물의 녹는점이 문헌값이 122.4 ℃(벤조산)과 113~115 ℃(아세트아닐라이드)보다 낮으면 다시 한 번 물에서 재결정하는 것이 좋다.
4. 물에 대한 용해도(g/L)

온도	10℃	25℃	95℃
벤조산	2.1	3.4	68
아세트아닐라이드	-	5.4	50

 

5. 실험 과정

A. 아세트아닐라이드의 분리와 재결정

1. 벤조산과 아세트아닐라이드가 혼합된 시료 약 2g의 무게를 정확하게 측정해서 비커에 넣고 30mL의 물을 넣는다.
2. 시료의 50%가 벤조산이라고 생각하고 이를 중화시키는데 필요한 3M NaOH 수용액의 부피를 계산하여 약 1.5배를 시료가 녹아있는 비커에 넣는다.
3. 충분히 저어준 후에 pH 지시종이로 용액의 pH가 염기성인지를 확인한다. 만약 염기성이 아니면 NaOH 수용액을 몇 방을 더 넣어주고 다시 확인한다.
4. 용액을 거의 끓을 때까지 가열한다. 만약 녹지 않은 고체가 남아있으면 NaOH 수용액을 몇 방을 더 가하고, 그래도 녹지 않은 것이 있으면 뜨거운 상태에서 그대로 거른다.
5. 비커를 시계접시로 덮고 용액이 식을 때까지 기다린다.
6. 침전물을 뷰흐너 깔때기를 이용하여 여과하고 차가운 물 1mL씩으로 2~3회 씻어 내린다. 거른 용액과 침전물을 씻은 용액은 모두 합쳐서 실험 B에서 사용할 것이므로 잘 보관한다.
7. 침전물을 말린 다음 무게를 잰다. 녹는점 측정 장치가 있으면 회수한 고체의 녹는점을 측정한다.

B. 벤조산의 분리와 재결정

1. 실험 A에서 얻은 거른 용액에서 5M HCl 수용액을 첨가하여 용액이 산성이 되도록 한다. 필요한 HCl 수용액의 부피는 실험 A에서 첨가한 NaOH 용액의 부피와 비슷하다. 용액이 확실하게 산성이 되도록 만들기 위해서 HCl을 약 1mL정도로 더 첨가한다.
2. 용액을 거의 끓을 정도로 가열한다. 뜨거운 상태에서도 녹지 않는 물질이 있으면 증류수 2~3mL를 더 넣는다. 녹지 않은 물질이 다 녹을 때까지 증류수를 2~3mL씩 첨가한다.
3. 비커를 시계접시로 덮고 용액이 식을 때까지 기다린다.
4. 침전물을 거르고 차가운 물 1mL씩으로 2~3회 씻는다.
5. 침전물을 말려서 무게를 잰다. 녹는점 측정 장치가 있으면 녹는점도 측정한다.

 

6. 결과

1. 분리와 재결정에 사용된 혼합 시료의 무게	2.042g
2. 벤조산을 중화시키는데 사용한 NaOH의 부피	mL
3. 실험 A에서 얻은 아세트아닐라이드의 무게	g
4. 재결정한 아세트아닐라이드의 녹는 범위	℃
5. 실험 B에서 첨가한 HCl 수용액의 부피	mL
6. 실험 B에서 얻은 벤조산의 무게	0.817g
7. 재결정한 벤조산의 녹는 범위	122.4℃

 

 

7. 고찰

(1) 물에 대한 용해도 자료를 이용해서 NaOH 용액을 첨가하지 않고 무게비로 1:1로 혼합된 벤조산과 아세트아닐라이드 2.00g을 25℃의 물 30.0mL로 재결정할 때 얻어지는 고체의 조성을 계산하여라.

온도	10℃	25℃	95℃
벤조산	2.1	3.4	68
아세트아닐라이드	-	5.4	50

	1L의 물	30mL의 물	재결정 시
벤조산	3.4	0.102	1.00-0.102=0.90g
아세트아닐라이드	5.4	0.162	1.00-0.162=0.84g

약 15:14

 

 

(2) 위의 혼합물에서 두 화합물을 분리시키는 다른 방법을 생각해 보아라.

추출, 크로마토그래피, 증류

 

[참고자료]

표준일반화학실험(제7개정판), 대한화학회