화학공학 실험 - 단증류 결과 보고서, 결론 및 토의

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화학공학 실험 - 단증류 결과 보고서, 결론 및 토의에 대한 보고서 자료입니다.

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상승되고 계속적으로 가열되면서 물의 조성이 점점 더 늘어나게 된다. 실제로 메탄올의 끓는점은 64.65℃이고 물의 끓는점은 100℃로 알려져 있다. 즉, 기본적인 원리는 끓는점의 차이를 이용하여 처음에는 분자량이 작고 끓는점이 낮은 물질이 고휘발성이기 때문에 응축되지만, 온도가 상승하면서 끓는점이 높은 물질의 끓는점 근처까지 온도가 상승하게 되면 끓는점이 낮은 물질의 조성은 낮아지게 된다.
-메탄올의 농도와 굴절률의 관계에서 굴절률이 증가하다가 다시 감소하는 이유
우리 실험에서는 아베굴절계를 이용하여 굴절률을 측정하고 이를 통하여 조성을 구하지는 않았지만 단증류 실험을 결과세미나 때 발표한 자료를 참고하면 굴절률을 통한 조성을 찾아내는 방법을 사용한 것을 확인할 수 있다. 이때 굴절률과 메탄올 조성의 관계를 나타낸 Table을 자세히 보면 굴절률이 증가하다가 50~52%를 기준으로 다시 감소함을 볼 수 있다.
용액의 농도 변화에 따른 밀도 변화를 이용해 굴절률의 변화를 설명하면 다음과 같다. 일반적으로 여러 물질이 혼합된 용액에서 물질 a가 공명 진동수 를 가진 Za개의 전자를 가졌을 경우 굴절률 는 다음과 같다.
Na = 물질 a의 밀도
Aa = 물질 마다 다른 고유값으로 질량, 물질의 emddmf 나타내는 상수
물과 메탄올이 혼합된 용액의 경우 개개의 물질 특성은 변하지 않고 농도 변화에 따라 Na만 변한다고 하면 이때 혼합용액의 굴절률은 아래와 같다.
여기서 N1, N2은 물과 메탄올이 각각 차지하는 밀도로, 분몰랄 부피(partial molar volume)로부터 구한 밀도에 각각의 용액이 차지하는 몰비를 곱하여 구할 수 있다. 즉 굴절률은 분몰랄부피와 연관이 있다고 할 수 있는데 물과 메탄올 혼합용액의 비선형성은 분자간의 상호 작용에 의한 영향으로 비이상용액을 만들기 때문이라고 생각한다.
전체 용액의 부피를 V라고 하면 라고 둘 수 있고. 와 같이 나타낼 수 있다. 여기서 전체용액의 부피는 일정하고 메탄올의 몰랄부피가 물보다 크기 때문에 메탄올의 몰수가 증가할수록 일정수준까지는 몰랄부피가 감소하다가 특정 지점(50%)를 기준으로 다시 증가하기 시작할 것이다. 비록 메탄올이 아닌 NaCl 수용액에 대한 자료이지만 그 경향성은 다음과 같다.
따라서 몰랄부피가 증가하면 밀도가 감소하고, 밀도가 감소하면 굴절률이 감소하게 된다. 이러한 이유로 메탄올 농도50~52% 이상에서는 굴절률이 더 이상 증가하지 않고 감소하게 되는 것이다.
실험 수행 및 결과 데이터 처리 시 아쉬운 점이 상당히 많았다. 다른조와 마찬가지로 아베굴절계를 이용하여 굴절률을 측정하거나, 용액의 부피를 측정하여 분몰랄부피와 비중을 이용하는 방법을 통해 Rayleigh equation을 다양하게 사용할 수 있었는데 그렇게 하지 못한 점이 아쉬움으로 남는다. 용액의 실험 수행 시에는 실험 기구를 정밀하게 설치하지 못하여 접착이 약한 부분을 통해서 응축액이 일부분이 관 사이의 공간을 통해 유출 되었는데 이 점을 제외하고는 조교님께서 신경 써 주신 덕분에 대체로 양호한 결과값을 얻을 수 있었던 것 같다.
-결론
이번 실험은 물질전달 시간에 배웠던 단증류를 실제로 실험을 통해 이해해 보는 실험이었다. Rayleigh equation을 이용해 graphical integration과 analytical integration을 모두 사용해 Data처리를 하였다. Data처리 시 graphical integration을 이용할 때는 평형 데이터가 존재하지 않아 인터넷을 참고해 평형 데이터를 구하고 POLYMATH를 이용하여 잔류액의 조성을 구할 수 있었고 analytical integration을 할 때는 앞의 경우와는 다르게 상대휘발도가 모든 조성에서 일정하다고 가정하여 적용할 수 있었다. 하지만 두 가지 방법 모두 상대휘발도를 구할 때 이상용액이라고 가정하고 Raoult's law를 이용하였기 때문에 정확히 실제의 값과 일치하는 Data를 구하는 데는 한계가 있었지만 graphical method을 이용해 구한 조성은 비중을 이용하여 구한 조성인 31%와 거의 유사한 30%가 나왔고 graphical, analytical 두 가지 모두 5%와 3%로 신뢰할만한 범위의 결과 값을 보여주었다.
5. 참고 문헌
①단위조작 6th, McCabe,2001(Mc-hill),pp541~ 611.
②물질전달 강의노트 Chapter2. Distillation.
③위키피디아, (검색어 : Methanol water)

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