[화공열역학] 액체 - 증기 평형

소개글

[화공열역학] 액체 - 증기 평형에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

9. Discussion
1)조별토의 및 소견
※Dalton의 부분압의 법칙(Dalton's law of partial pressure) : 1801년
분압의 법칙 또는 돌턴의 법칙이라고도 한다. 1801년 영국의 J.돌턴이 발견한 법칙이다. 그러나 넓은 의미에서 배수비례의 법칙, 일정성분비의 법칙, 헨리의 법칙 등도 이 법칙에 포함시키는 경우도 있다. 서로 반응하지 않는 혼합기체의 전체압력은 각 성분기체의 부분압력의 합과 같다. 즉, 일정한 부피를 갖는 혼합기체의 전체압력은 각 성분기체가 같은 온도에서 같은 부피를 차지할 때의 부분압력의 합과 같다는 법칙이다. 바꾸어 말하면 혼합기체 중 한 기체성분이 나타내는 부분압력은 그 성분기체들이 단독으로 있을 때의 압력과 같다. 혼합기체 속에 들어 있는 기체 중 분자수가 많은 기체가 혼합기체의 전체압력에 더 많이 작용하므로 부분압력이 크다.
예를 들면, 어떤 온도에서 1atm인 산소 1ℓ와 같은 온도 ·압력인 질소 1ℓ를 혼합하여 2ℓ로 만들면 산소의 부분압력은 0.5atm, 질소의 부분압력도 0.5atm이므로, 혼합기체의 전체압력은 1atm이다. 또, 이 법칙을 부피의 측면에서 보면, 혼합기체의 부피는 각 성분기체가 그것과 같은 온도 ·압력 하에서 차지하는 부피의 합이 된다. 위의 예에서 살펴보면, 그 온도에서 양쪽 다 1atm이므로 1atm으로 했을 때 혼합기체의 부피는 2ℓ이다. 그러나 이 법칙은 이상기체일 경우에만 성립하며, 실제기체의 경우에는 약간의 차이가 난다.
※소견
이번 실험은 대체적으로 오차가 큰듯하다. 메탄올+벤젠 혼합물에서 메탄올의 몰분율이 1이 넘어버린 경우가 있었다. 위에 오차의 원인에서도 썼지만 끓는점을 측정하는 과정에서 정확히 측정을 못했기 때문에 그런것 같다. 벤젠과 메탄올은 잘 섞이기는 하지만 반응을 하지는 않기 때문에 돌턴의 법칙을 적용시킬수 있을듯 하다. 이 돌턴의 법칙이 성립하기 때문에 굴절계를 이용해서 굴절률을 측정하고 그 굴절률을 토대로해서 몰농도까지 구할수 있었다. 또 실험을 하는 도중에 마개를 열었었는데 그때 순간적으로 단열팽창이 일어났을 것 같다. 이과정에서 더욱 더 많은 기체가 더 많이 바깥으로 나갔을 듯 하다.
2)자료조사
①굴절계법(refraction analysis)
굴절계를 사용하여 시료 액체의 굴절률을 측정하는 것에 의한 분석법
용질의 1종류의 용액에서는 많은 경우 nD-nD0=kC의 관계가 성립한다. 여기에서 nD 및 nD0는 용액 및 용매의 굴절률, C는 농도, k는 온도와 무관계한 상수이다.
이 식을 사용하여 정량할 수 있다. 요질이 2종류 일때는
또는
인 관계가 이용된다. 여기에서 A, B, AB는 각각 순액체 A, 순액체 B, 양자의 혼합물을 가리키며, v, p, d는 각각 부피, 부피 백분율, 밀도이다. 단, 혼합에 의한 부피 변화가 없는 것으로 가정한다.
비굴절은 H.A Lorentz와 L.V. Lorent가 이론적으로 유도한 것으로, 비굴절도 rG보다 더우 온도에 무관계한 상수인데, 분석 화학적으로는 여기에 분자량을 곱한 분자 굴절 쪽이 자주 쓰인다.
분자굴절은 분자 구조 연구에 이용되는 것으로 유명하다. 분석 화학적으로는 다음과 같이 이요한다. 두 물질 혼합물의 분자 굴절을
라고 정의하면
인 가성성이 성립한다. 단 x는 몰 분율이다. 이들 식을 이용해서 물 분율을 결정할 수 있다.
②기액평형(vapor-liquid equilibrium)
기체상과 액체상과의 2상간의 상 평형을 말한다. 1성분계에서는 상의 규칙에 의해 자유도는 1이므로 온도 또는 압력을 정하면 평형 상태는 완전히 결정된다. 증기압과 온도와의 관계는 가장 중요한 기액 평형 관계로, 클라이페롱(Clapeyron)-클라지우스(Clausius)의 식은 대표적인 표현 방법이다. 2성분 이상의 다성분계에서는 압력 또는 온도 외에 조성을 자유롭게 변화시킬 수 있고, 크게 나누어 압력을 징정하게 한 경우 즉 일정 압력의 기액 평형 관계와, 온도를 일정하게 한 경우 즉 일정 온도 기액 평형 관계가 있다.
2성분계에 대해서 설명하면 그림(a)와 같이 가로축에 액체상의 조성 x 및 기체상의 조성 y를 취하고 세로축에 평형 온도 t를 취함으로써 일정압력의 기액 평형 관계를 나타내는 것이 보통이다. 그림에서는 압력을 760mmHg로 일정하게 하고 2성분계로서 메탄올-물계를 취하고 있는데 평형 온도는 각 조성의 액체가 끓는 온도(버블 포인트), 또는 각 조성의 증기가 응축하는 온도(이슬점)에 해당한다. 그림 (a)ACB의 곡선을 비등선, ADB의 곡선을 응축선이라 한다. 다음에 일정 온도 기액 평형 관계는 그림(b)와 같이 가로축에 액 조성 x를 취하고 세로축에 전체의 압 π 및 분압 p1,p2를 취해 그리는 것이 보통이다. 그림 (b)의 경우는 그림 (a)와 같이 메탄올-물계의 39.90℃ㅇ에서의 평형 관계를 나타낸 것으로 분압을 전체 압으로 나누면 기체상의 몰 조성을 얻을 수 있다. 일정 압력 또는 일정 온도의 기액 평형에서 그림(c)와 같이 액 조성 x를 가로축으로 하고 증기 조성 y를 세로축으로 취해 얻어지는 곡선을 x-y곡선 또는 이 선도를 x-y선도라 한다. 대각선은 x와 y가 같은 점이므로 이 그림은 메탄올의 증기 조성이 평형에 있는 액 조성보다도 항상 높은 것을 나타내고 있다. 이와 같이 혼합액 중의 어느 성분의 농도가 평형에 있는 증기 중에서 높아지는 사실을 이용한 것이 증류라고 하는 분리 조작으로, x-y곡선이 대각선에서 떨어져 있을수록 분리하기 쉽고 함께 끓는 혼합물처럼 x-y 곡선이 대각선으로 교차한 점에서는 증류에 의한 분리는 불가능하다. 기액 평형은 증류를 합리적으로 하기 위해서 꼭 알아야 할 기초 자료이다. 혼합액이 이상 용액이라 간주될 때에는 이 기액 평형은 계산에 의해 간단히 구할 수 있는데(라울의 법칙) 일반적으로는 열역학상 곤란한 문제이다. 보통 D.F. Othmer의 평형 증류 장치 등을 이용해 실험적으로 측정되고 있다.
3)MSDS
-맨뒤쪽에 첨부
10. Reference
-화학대사전 / 세화 / 2001.05.20
-네이버 백과사전
11. With
-서중원, 장태순

키워드

끓는 혼합물의 온도,   증기 평형