증기-액체 평형에서 혼합물의 조성 결정(불변끓음혼합물)

목차

1. 실험 제목

2. 실험 목적

3. 실험 이론

4. 실험기구 및 시약

5. 실험 방법

6. 실험 결과

7. 논의 및 고찰

본문내용

터 아주 약간 벗어나는 혼합물은 분별 증류에 의해서 그 성분들을 분리할 수 있다. 반면에, Raoult의 법칙으로부터 크게 벗어나서 증기 압력 곡선에 극대값이나 극소값이 나타나는 경우에는, 끓는점 곡선에도 거기에 대응하는 극소점 또는 극대점이 나타난다. 이런 혼합물은 분별 증류에 의해 완전히 갈려낼 수 없다. 증기 압력 곡선이 극대 또는 극소값을 갖는 경우에는 , 그 점에서 액체와 증기 곡선이 서로 접하고, 액체와 증기는 같은 조성을 가져야 한다는 것을 증명할 수 있다(Gibbs-Konovalov의 정리). 극대나 극소의 증기 압력을 갖는 혼합물을 불변 끓는점 혼합물(azeotrope)이라고 부른다.
그림1.6와 같이 극대 끓는점을 나타내는 계를 생각해 보자. 불변 끓는점 조성을 갖는 혼합물, 즉 점 a로 표시되는 혼합물을 가열하면 온도 t에서 처음으로 증기가 생길 것이다. 그 증류기는 액체와 똑같은 조성을 가지며 , 따라서 얻어진 증류물들은 원래의 액체와 똑 같은 조성을 가지므로 분리가 안 된다. 그림1.6에서 b로 표시되는 혼합물을 가열하면 첫 증기는 에서 생기며 조성은 을 갖는다. 이 증기는 끓는점이 높은 성분을 더 많이 포함 한다. 분별 증류하면 혼합물에서 순수한 성분 1이 증류물로서 분리되고 불변 끓는점 혼합물이 그릇에 남는다. 또 c로 표시되는 혼합물은 처음 에서 끓으며, 증기는 의 조성을 갖는다. 결국 이 혼합물을 분별 증류하면 순수한 성분2가 증류물로 나오고 그릇에는 불변 끓는점 혼합물이 남는다.
그림1.7와 같은 극소 끓는점을 갖는 불변 끓는점 혼합물도 위와 비슷하게 행동한다. 불변 끓는점 혼합물을 증류하더라도 조성이 변치 않는다. 점 b 로 표시되는 혼합물은 에서 끓기 시작하여 그 증기는 조성를 갖는다. 이 혼합물을 분별 증류하면 불변 끓는점 혼합물이 증류물로 얻어지고, 순수한 성분 1이 그릇에 남는다. 마찬가지로 c 로 표시되는 혼합물을 분별 증류하면 불변 끓는점 혼합물이 증류물로 얻어지고 순수한 성분 2가 그릇에 남게 된다.
다음의 표에 여러 가지의 불변 끓는점 혼합물과 아울러 그 성질이 실려 있다. 보통의 혼합물은 넓은 온도 범위에 걸쳐서 끓는데 반해서 불변 끓는점 혼합물은 어떤 일정한 온도에서 끓는데, 이러한 성질에서 보면 이 혼합물은 순수한 액체와 닮았다. 그러나 압력을 변화시키면 불변 끓는점 혼합물의 끓는점은 물론 그 조성도 변화 하므로 이 혼합물은 순수한 화합물이 될 수 없다. 불변 끓는점 염산은 그러한 예의 하나이다. 압력에 따르는 그 조성의 변화를 표3에 실었다. 이 조성은 대단히 정확하게 측정된 것이므로 불변 끓는점 염산을 묽혀서 표준 산 용액을 만들 수 있다.
표.1 극소 끓는점의 불변 끓는점 혼합물(1atm)
성분A
성분 B
불변 끓는점 혼합물
A의 질량(%)
100
79.6
11.3
73.41
76.75
64.7
79.44
55.7
46.25
56.15
67
39.25
61.2
64.7
87.4
53.43
64.65
80.1
39.6
53.8
100
78.3
4.0
78.174
표.2 극대 끓는점의 불변 끓는점 혼합물(1atm)
성분A
성분 B
불변 끓는점 혼합물
A의 질량(%)
100
-80
79.778
108.584
100
86
32
120.5
61.2
56.10
78.5
64.43
182.2
184.35
42
186.2
표.3 불변 끓는점의 끓는 온도와 조성의 압력 의존
압력/mmhg
HCl의 질량 (%)
500
20.916
97.578
700
20.360
106.424
760
20.222
108.584
800
20.155
110.007
4. 실험기구 및 시약 :끓는점 측정 장치, 온도계, 철제 받침대 및 가열기, 유리-콜 망태기, 가변 변압기, 코르크마개, 끓임쪽, 일회용 스포이드, 피펫, 아베 굴절계, 메탄올, 벤젠
5. 실험 방법
① 준비된 장치를 클램프를 사용하여 수직 받침대에 조립한다.
② 냉각기와 수도꼭지에 고무관을 연결한다.
③ 플라스크를 유리-콜 가열 망태기로 싸고, 가변변압기에 연결한다.
④ 보통 가변변압기를 70～90볼트에 맞춘다.
⑤ 여러 용액들을 일정한 온도에서 상당히 활발하게 끓게 될 때까지 가열한다.
⑥ 냉각기 아래쪽에 모인 액체들은 피펫을 써서 각 증류액의 시료를 채취하고, 동시에 플라스크에 남아있는 액체의 시료도 채취한다.
⑦ 각 용액의 끓는 온도를 읽어 기록한다.
6. 실험 결과
(1) 벤젠 50mL에 대한 메탄올의 양 변화 시
시 약
굴절률
조성비()
벤젠 50mL + 메탄올 4mL
1.375266
3.26
벤젠 50mL + 메탄올 8mL
1.373240
3.49
벤젠 50mL + 메탄올 14mL
1.370240
3.87
벤젠 50mL + 메탄올 20mL
1.361188
5.57
벤젠 50mL + 메탄올 26mL
1.352291
8.98
(2) 메탄올 50mL에 대한 벤젠의 양 변화 시
시 약
굴절률
조성비()
벤젠 4mL + 메탄올 50mL
1.382943
0.388
벤젠 8mL + 메탄올 50mL
1.386729
0.433
벤젠 14mL + 메탄올 50mL
1.397154
0.570
벤젠 20mL + 메탄올 50mL
1.401633
0.637
벤젠 26mL + 메탄올 50mL
1.429878
1.246
7. 논의 및 고찰
① 실험 과정에서 온도를 측정ㆍ기록하며 실험을 진행시켰어야 했는데 그러지 못하여 조성비와 온도에 관한 그래프를 그리지 못하였다.
② 혼합액이 끓을 때 매우 순간적으로 끓어버리는 바람에 제때 온도조절을 하지 못하여 액체의 성분에 오차가 있었던 것으로 생각된다.
③ 실험이 이틀에 걸쳐 진행되었는데, 시료 보관을 제대로 되지 않아 몇몇 시료가 증발해버리는 바람에 데이터를 얻지 못하였다.
④ 실험 기구의 설치가 미비하여 빈틈으로 증기가 날아 가버린 문제도 있었다.
⑤ 실험에 대해 전체적인 평가를 내리자면, 실험 전 실험의 주제에 대한 파악이 미비하여 실험이 의미하는 점을 알지 못하였고, 실험 기구 설치 또한 준비성 없이 급하게 설치하는 바람에 데이터에 오차가 크게 났다. 앞으로 남은 UV/VIS에 대한 실험에서는 좀 더 내용파악과 실험준비에 만전을 기해야겠다.

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