삼성분계 상태도 실험 및 상호용해도 측정

본 내용은 " [열역학실험 1등 A+] 삼성분계 상태도 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2025.05.30

문서 내 토픽

• 1. Gibbs 상규칙(Phase Rule)

  Gibbs의 상규칙은 평형상태에 있는 계의 자유도를 결정하는 기본 원리이다. 자유도 F는 F=C-P+2로 표현되며, 여기서 C는 성분수, P는 상의 수이다. 정온 정압 조건에서는 F=C-P+1이 되고, 3성분계에서 2개의 액체상이 존재하면 F=2가 되어 한 성분의 농도만 정해지면 계의 상태가 완전히 결정된다. 이 원리는 상평형도 작성과 상호용해도 측정의 이론적 기초가 된다.

• 2. 삼각상 도표(Gibbs Triangle)

  삼각상 도표는 3성분 시스템의 조성을 2차원 평면에 표현하는 중점좌표 그래프이다. 정삼각형 또는 직각삼각형 형태로 표현되며, 각 꼭짓점은 순수 성분(100%)을, 변은 2성분계를, 내부의 점은 3성분 혼합물을 나타낸다. 삼각형 내의 점의 위치는 평행선 방법, 수직선 방법, 꼭짓점 교차선 방법으로 결정할 수 있으며, 세 변수의 합이 100%가 되는 특성을 이용한다.

• 3. 상호용해도(Mutual Solubility)와 맺은선(Tie Line)

  상호용해도는 일정한 온도에서 두 종류의 액체가 완전히 섞이지 않고 두 층으로 평형을 이룰 때, 한 층의 액체 성분이 다른 층에 용해된 정도를 나타낸다. 맺은선은 평형상태에 있는 두 액체상의 조성을 연결하는 선으로, 곡선 MPN 내부의 혼합물은 두 개의 분리된 액체상으로 나뉘며, 곡선 외부는 단일 액체상을 형성한다. Plait point에서 두 용액이 같은 조성을 갖는다.

• 4. 3성분계 액액 상평형 실험 방법

  실험은 아세트산-물, 아세트산-클로로포름, 아세트산-물-클로로포름 계에서 상호용해도를 측정한다. 각 질량퍼센트의 용액을 제조한 후 분별깔때기에서 진탕하여 층을 분리하고, 분리된 상층과 하층을 NaOH 용액으로 적정하여 아세트산 함량을 결정한다. 적정값으로부터 각 상의 조성을 계산하고 삼각그래프에 도시하여 상평형도를 작성한다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. Gibbs 상규칙(Phase Rule)

  Gibbs 상규칙은 열역학적 평형계의 자유도를 결정하는 기본 원리로서, 다성분 다상 시스템의 거동을 이해하는 데 필수적입니다. F = C - P + 2 식을 통해 성분수, 상의 개수, 자유도 간의 관계를 정량적으로 나타내므로, 상평형 현상을 예측하고 분석하는 데 매우 유용합니다. 특히 산업적 응용에서 공정 조건을 최적화할 때 이 규칙을 활용하면 필요한 변수의 개수를 체계적으로 파악할 수 있습니다. 다만 이상용액이나 반응계에서는 추가 고려사항이 필요하며, 기본 가정인 평형 도달과 균질성이 실제 시스템에서 완벽히 만족되지 않을 수 있다는 점을 인식해야 합니다.

• 2. 삼각상 도표(Gibbs Triangle)

  Gibbs 삼각형 도표는 3성분계의 조성을 직관적으로 표현하는 탁월한 도구입니다. 정삼각형의 각 꼭짓점이 순수 성분을 나타내고, 내부의 점이 혼합물의 조성을 나타내는 방식은 기하학적으로 우아하면서도 실용적입니다. 이를 통해 상평형 영역, 임계점, 공정점 등을 시각화할 수 있어 복잡한 상거동을 쉽게 이해할 수 있습니다. 다만 온도와 압력 변화에 따른 도표의 변화를 별도로 추적해야 하고, 정확한 조성 읽기에는 숙련이 필요하다는 한계가 있습니다.

• 3. 상호용해도(Mutual Solubility)와 맺은선(Tie Line)

  상호용해도와 맺은선은 액액 상평형을 이해하는 핵심 개념입니다. 맺은선은 평형 상태에 있는 두 액상의 조성을 연결하므로, 이를 통해 각 상의 정확한 조성을 결정할 수 있습니다. 상호용해도 곡선(binodal curve)과 맺은선의 관계는 상평형의 열역학적 조건을 반영하며, 이를 정확히 파악하면 분리 공정 설계에 직접 활용할 수 있습니다. 실험적으로 맺은선을 결정하는 것은 번거로울 수 있지만, 현대적 분석 기법을 활용하면 신뢰성 있는 데이터를 얻을 수 있습니다.

• 4. 3성분계 액액 상평형 실험 방법

  3성분계 액액 상평형 실험은 체계적이고 신중한 접근이 필요한 중요한 작업입니다. 정적 방법(static method)과 동적 방법(dynamic method) 모두 장단점이 있으며, 시스템의 특성에 따라 적절한 방법을 선택해야 합니다. 온도 제어, 충분한 평형 도달 시간 확보, 정확한 분석 기법 적용이 신뢰성 있는 결과를 위해 필수적입니다. 현대에는 고성능 액체크로마토그래피(HPLC)나 가스크로마토그래피(GC) 같은 분석 기법이 조성 결정을 용이하게 하므로, 이러한 도구들을 적절히 활용하면 정확하고 재현성 있는 상평형 데이터를 획득할 수 있습니다.