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1. 증류와 끓는점
1.1. 증류의 원리
증류는 상대휘발도(끓는점)의 차이를 이용하여 액체상태의 혼합물을 분리하는 방법이다. 두 혼합물의 화학 반응 없이 물리적인 분리가 이루어지는 경우를 말한다.
물질은 각각 일정한 끓는점을 가지고 있다. 따라서 끓는점의 차이가 있는 혼합물을 가열하면 끓는점이 낮은 것이 먼저 증기가 되어 나오므로 이것을 냉각시켜 액체로 환원하여 모으면 분리시킬 수 있다. 이 방법을 증류라고 한다. 메탄올의 끓는점은 64.7℃, 물은 100℃이므로 이 혼합물을 가열하면 메탄올이 먼저 증발한다.
단, 물도 다소 섞여 나오므로 한 번의 증류로 완전히 분리하기는 어렵다. 처음에는 메탄올의 끓는점 부근의 범위에서 나오는 증기를 모으고, 이를 몇 번 반복하여 증류하면 점점 순수한 물질을 얻을 수 있다. 이를 재증류라고 한다.
증류 초기에 나오는 증기에는 휘발성이 큰 불순물이나 증류 장치 내의 불순물이 섞여서 나오므로 이 부분은 버린다. 이를 전류분이라고 한다. 또한 증류 플라스크 속의 액체를 완전히 증류하면 남아 있는 비휘발성 불순물이 섞여 나올 수 있으므로 조금 남겨서 버린다. 이를 후류분이라고 한다.
1.2. 단순 증류와 분별 증류
단순 증류와 분별 증류는 사용 목적과 방법에 있어서 차이가 있다. 단순 증류는 두 개의 성분을 가지는 액체를 단 한 번의 액화를 통해 성분을 분리해내는 방법이다. 이에 비해 분별 증류는 2가지 이상의 액체 성분을 분별 컬럼을 이용해서 반복적으로 증발-응축을 통해 증류하는 방법이다.
단순 증류는 끓는점 차이가 큰 성분들을 분리할 때 주로 사용되며, 분리 효율이 좋지는 않지만 빠르고 비용이 적게 드는 장점이 있다. 예를 들어 물과 메탄올의 혼합물을 가열하면 메탄올의 끓는점이 64.7°C, 물의 끓는점이 100°C로 차이가 크기 때문에 단순 증류로도 성분을 잘 분리할 수 있다.
반면 분별 증류는 끓는점 차이가 작은 성분들을 분리하거나 고순도의 화합물을 얻기 위해 사용한다. 분별 증류는 분별 컬럼을 이용해 반복적인 증발-응축 과정을 거치기 때문에 단순 증류에 비해 분리 효율이 높다. 예를 들어 석유 정제 과정에서 분별 증류를 통해 휘발유, 등유, 경유 등 다양한 연료를 얻을 수 있다.
즉, 단순 증류는 끓는점 차이가 큰 성분들의 분리에 주로 사용되고, 분별 증류는 끓는점 차이가 작거나 고순도의 화합물을 얻고자 할 때 사용된다고 할 수 있다.
1.3. 증기압과 끓는점
물질마다 증기압이 다르기 때문에 온도에 따라 증기압이 변하게 되며, 이에 따라 끓는점도 달라진다. 물질의 증기압이 외부 압력과 같아지는 온도가 바로 그 물질의 끓는점이다.
일반적으로 온도가 높아질수록 분자들의 운동 에너지가 증가하여 증기압이 커진다. 따라서 온도가 상승할수록 끓는점이 낮아지는 물질이 있고, 끓는점이 높아지는 물질도 있다. 이를 통해 물질마다 고유한 증기압과 끓는점을 가지고 있다는 사실을 알 수 있다.
예를 들어 물의 경우 1기압(760 mmHg)에서 100 ℃의 끓는점을 가지고 있다. 이는 100 ℃의 온도에서 물의 증기압이 760 mmHg가 되어 외부 압력과 같아지기 때문이다. 메탄올의 경우 1기압에서 64.7 ℃의 끓는점을 가지고 있는...
