액체-액체 상평형 실험: 나이트로벤젠과 헥세인

문서 내 토픽

1. 액체-액체 상평형(Liquid-Liquid Equilibrium)

부분적으로 용융하는 혼합물인 나이트로벤젠과 헥세인의 상평형을 연구하는 실험이다. 온도 변화에 따라 단일상에서 두 액체상으로 분리되는 현상을 관찰한다. 상 분리가 일어날 수 있는 온도의 상한을 TUC(Upper Critical Solution Temperature)라 하며, 이 온도 이상에서는 모든 조성에서 단일상만 나타난다. 실험에서는 나이트로벤젠의 몰분율을 0.2, 0.3, 0.4, 0.6으로 달리하여 각 조성에서 상 분리 온도를 측정했다.
2. 온도-조성 상평형 그래프

액체 A와 B의 끓는점 이하에서 온도와 조성(B의 몰분율)의 관계를 나타내는 그래프이다. 그래프에서 a'은 나이트로벤젠으로 포화된 헥세인의 조성, a''은 헥세인으로 포화된 나이트로벤젠의 조성을 의미한다. 온도 감소에 따라 단일상 영역에서 두 상 영역으로 전환되며, 평형을 이루는 두 상의 조성은 온도에 따라 달라진다.
3. 지레 규칙(Lever Rule)

상평형 그림에서 두 상 영역 내의 점에서 액체와 증기가 공존할 때, 상대적인 양을 정량적으로 나타내는 규칙이다. 맺음선 상의 거리를 이용하여 두 상의 비율을 계산한다. 실험에서는 측정된 온도에서 나이트로벤젠의 몰분율을 기준으로 양 그래프 끝점까지의 길이를 측정하여 이론상 비율을 도출했다.
4. 실제 용액과 정규 용액

이상 용액과 달리 실제 용액은 AB 상호작용 항이 포함되어 혼합 깁스 에너지가 변한다. 정규 용액으로 가정할 때, 과잉 엔탈피에 의해 혼합 깁스 에너지가 증가하여 용액이 자발적으로 섞이지 못하게 방해한다. 헥세인-나이트로벤젠 혼합물에서 HN 상호작용이 HH, NN 상호작용보다 약하므로 분자가 분리되어 있는 것이 더 안정하다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

1. 액체-액체 상평형(Liquid-Liquid Equilibrium)

액체-액체 상평형은 화학공학에서 매우 중요한 개념으로, 두 개 이상의 액체 상이 공존하는 상태를 설명합니다. 이는 특히 추출 공정이나 분리 기술에서 핵심적인 역할을 합니다. 상평형 데이터를 정확히 이해하면 산업 공정의 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 다만 복잡한 다성분 시스템에서는 상평형 예측이 어려울 수 있으며, 이를 위해 정확한 열역학 모델과 실험 데이터가 필수적입니다. 현대적 컴퓨터 시뮬레이션 기술의 발전으로 더욱 정확한 예측이 가능해지고 있습니다.
2. 온도-조성 상평형 그래프

온도-조성 상평형 그래프는 혼합물의 거동을 시각적으로 이해하는 데 매우 효과적인 도구입니다. 이 그래프를 통해 액체와 기체 상의 경계, 공비점 등을 명확히 파악할 수 있습니다. 특히 증류 공정 설계에서 필수적인 정보를 제공하며, 공정 최적화에 직접적으로 활용됩니다. 그러나 다성분 시스템의 경우 3차원 이상의 표현이 필요하여 해석이 복잡해질 수 있습니다. 정확한 그래프 작성을 위해서는 신뢰할 수 있는 열역학 데이터와 모델이 필요합니다.
3. 지레 규칙(Lever Rule)

지레 규칙은 상평형 그래프에서 각 상의 조성과 상대적 양을 계산하는 우아하고 실용적인 방법입니다. 이 규칙을 이용하면 복잡한 계산 없이 직관적으로 상의 조성을 파악할 수 있습니다. 특히 이상적 용액에서는 매우 정확하며, 공정 설계 단계에서 빠른 추정이 가능합니다. 다만 비이상적 용액이나 다성분 시스템에서는 적용에 제한이 있을 수 있습니다. 기본 원리를 이해하면 상평형 문제 해결에 매우 효율적인 도구가 됩니다.
4. 실제 용액과 정규 용액

실제 용액과 정규 용액의 구분은 열역학적 거동을 정확히 예측하기 위해 중요합니다. 정규 용액 모델은 단순하고 이해하기 쉬우나, 실제 용액의 복잡한 분자 상호작용을 완전히 설명하지 못합니다. 실제 용액에서는 수소결합, 분자 크기 차이, 극성 차이 등 다양한 요인이 작용하므로 더 정교한 모델이 필요합니다. NRTL, Wilson 등의 고급 모델들이 개발되어 산업 적용에 사용되고 있습니다. 상황에 맞는 적절한 모델 선택이 공정 설계의 정확성을 결정합니다.

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