본문내용
1. 증류 실험
1.1. 실험 목적
증류는 액체 혼합물에서의 각 성분마다의 휘발도의 차이를 이용해 혼합물을 분리하는 공정이다. 따라서 끓는 점 또는 증기압을 이용해 온도 또는 압력을 조절하여 혼합물을 분리한다. 이러한 증류를 이용해 일정압력하의 에탄올과 물이 섞여있는 미지시료의 농도를 GC와 비중병을 이용해 예측한다. 실험을 통해 증류의 원리에 대해 다시 생각해보고 증류 장치의 구성과 조작을 이해하는 것이 실험 목적이다.
1.2. 실험 이론
1.2.1. 평형 성질
상평형은 2개 이상의 상이 공존하면서 평형을 이루고 있는 상태를 말한다. 온도와 압력을 변화시키게 되면 상평형을 얻을 수 있다. 평형상태일 때 계가 정지하고 있는 것처럼 보이지만 실제로는 정반응과 역반응이 계속해서 진행되고 있으며, 이때 정반응과 역반응의 속도가 같아 전체적으로 변화가 없는 상태를 유지한다. 이러한 상평형 관계를 온도와 압력에 따라 곡선으로 나타낸 것을 상평형 그림이라고 한다. 상평형 그림을 통해 주어진 온도와 압력에서 물질이 어떤 상태로 존재하는지 알 수 있다.
1.2.2. 기-액 평형
기-액 평형은 기체와 액체 두 상(phase)이 공존하며 평형을 이루고 있는 상태를 말한다. 기체와 액체의 상평형은 온도, 압력, 그리고 각 성분의 조성에 따라 달라진다. 1성분계에서 기-액 평형은 온도와 압력만으로 완전히 결정되지만, 2성분계 이상에서는 세 가지 변수들 간의 관계로 나타낼 수 있다.
2성분계 기-액 평형은 압력, 온도, 조성의 함수로 표현되며 등압, 등온 조건에서 상평형 선도(phase diagram)로 나타낼 수 있다. 이를 통해 주어진 압력 또는 온도 조건에서 액상과 기상의 조성 관계를 확인할 수 있다. 기-액 평형에 대한 이론으로는 라울의 법칙, 헨리의 법칙, 돌턴의 법칙 등이 있으며, 기-액 평형에서의 성분 분배 정도를 나타내는 K-value가 사용된다.
이처럼 기-액 평형은 증류, 흡수, 추출 등 다양한 화학공정에서 중요한 역할을 하며, 실험적으로 또는 열역학 모델을 통해 예측할 수 있다. 특히 증류 공정에서는 기-액 평형과 성분의 휘발성 차이를 이용하여 혼합물을 분리하는데, 이에 대한 이해가 필수적이다.
1.2.3. 라울의 법칙
라울의 법칙은 비휘발성, 비전해질 용질이 녹아 있는 용액의 증기압 내림이 용질의 몰분율에 비례한다는 법칙이다. 즉, 용매의 증기압 내림이 용질의 몰분율에 비례한다는 것이다. 수학적으로 표현하면 다음과 같다.
P = P0 (1 - x2)
여기서 P는 용액의 증기압, P0는 순수한 용매의 증기압, x2는 용질의 몰분율을 나타낸다. 이 식에 따르면 용질의 몰분율이 증가할수록 용액의 증기압이 감소하게 된다.
라울의 법칙이 성립하기 위해서는 다음과 같은 조건이 필요하다.
1) 용질과 용매 사이에 화학반응이 일어나지 않아야 한다.
2) 용질은 비휘발성이어야 한다.
3) 용질은 비전해질이어야 한다.
4) 용액은 이상용액이어야 한다.
라울의 법칙은 이상용액에서 성립하는 법칙이지만, 실제로는 이상용액이 아닌 경우가 더 많다. 이 경우 라울의 법칙은 실제 증기압보다 낮게 예측하게 된다. 그러나 희석된 용액에서는 실험값과 이론값이 잘 일치하는 것으로 알려져 있다.
라울의 법칙은 기-액 평형 이해에 중요한 역할을 하며, 증류, 끓는점 오승, 삼투압 계산 등 다양한 분야에 활용된다. 특히 증류공정에서 라울의 법칙은 중요한 이론적 기반을 제공한다.
1.2.4. 헨리의 법칙
헨리의 법칙"은 기체의 용해도가 용액 위에 있는 기체의 압력과 비례한다는 법칙이다. 이는 수식으로 표현하면 다음과 같다. C=kP (C=용액에 녹아 있는 기체의 농도, k=헨리상수, P=용액 위에 있는 기체 용질의 분압)""이다. 즉, 용액에 녹아 있는 기체의 농도는 그 기체의 용해도 상수 k와 용액 위의 분압 P의 곱에 비례한다는 것이다. 이를 통해 기체의 용해도를 예측할 수 있으며, 압력과 온도 변화에 따른 용해도 변화를 설명할 수 있다.
1.2.5. 돌턴의 법칙
돌턴의 법칙은 기체 혼합물에서 각 성분 기체가 독립적으로 행동한다는 법칙이다. 용기 속의 기체 혼합물이 가하는 전체 압력은 각각의 기체가 홀로 있을 때 가하는 압력들의 합과 같다.
수학적으로 표현하면 다음과 같다. 전체 압력 P는 각 성분 기체의 부분 압력 Pi의 합과 같다.
P = P1 + P2 + P3 + ... + Pn
여기서 P는 전체 압력, Pi는 i번째 기체 성분의 부분 압력이다.
이를 통해 기체 혼합물의 성분비를 계산할 수 있다. 예를 들어 질소와 산소로 이루어진 공기에서 질소의 부분 압력은 전체 압력의 약 80%, 산소의 부분 압력은 전체 압력의 약 20%이다.
따라서 돌턴의 법칙은 기체 혼합물의 성분비와 압력관계를 설명하는 데 유용하게 사용된다.
1.2.6. K-value
K-value는 기-액 평형에서 기체와 액체의 몰분율 비를 의미한다. 기체의 몰분율이 클수록 K 값이 크게 나타난다. 따라서 K값을 알면 그 물질이 얼마나 기화하려는 성질이 강한지 알 수 있다.
기-액 평형에서 기체와 액체 상의 특정 성분 i의 몰분율을 각각 yi와 xi라 할 때, ...
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