1. 제 목기체확산2. 요 약기체의 확산은 분자의 운동과 분자간의 거리, 인력, 온도, 압력, 분자량에영향을 받으며 Fick's law과 이를 보정한 식으로 확산계수를 구할 수 있다.3. 실험목적확산계수는 물질의 이동속도를 지배하는 중요한 인자이며 정확한 확산계수의측정은 물질이동조작에서 대단히 중요하다. 본 실험에서는 기체의 확산 계수를측정하기 위해 Fick's law를 사용하여 확산계수를 측정하여 확산 현상을 이해하고, 실험값과 문헌값을 비교하여 보는데 목적이 있다.4. 관련이론가. 확 산혼합물을 통해 각 성분이 물리적 자극(농도구배, 압력구배, 온도구배,원심력)의 영향을 받아 이동하는 것으로서 Flux는 구배에 직접적으로 비례한다.나. 확산의 3가지 유형(1) 혼합물의 한 성분(A)만이 확산되는 경우 : 기체흡수(2) A, B의 확산이 반대방향으로 일어나며, Mole flux가 같은 경우 : 증류(3) A, B의 확산이 반대방향으로 일어나며, Mole flux가 다른 경우 : 촉매표면다. 확산속도A 성분의 확산속도 = A 성분의 거시적 속도 - 부피평균속도 = uA - u0라. 기체분자의 확산< 기체의 확산 >< 기체의 분출 >확산은 거시적으로 비균질 분포를 하고 있던 어떤 물리량이 균질 분포로 변환되는 열역학적 과정을 총칭하며, 기체, 액체 및 고체 물질 전반에서 자주일어나는 중요한 현상이다. 기체 분자의 퍼짐이 일어날 때 분자에 외력이가해지거나 분자를 흡착하는 표면이 존재하면 확산이 일어나는 양상이 달라질 수 있다.마. 등몰확산관으로 연결된 두개의 큰 용기 내에 A, B 두기체가 들어있고 전압을 P로일정하며 정상상태에서 분자확산이 일어나는 경우를 보면 각 용기는 교반에의해 일정한 농도를 유지하고 분압은 PA1 > PA2 , PB2 > PB1 이라고 하면,A성분은 오른쪽으로 B성분은 왼쪽으로 확산하게 된다. 전압이 일정하면서A성분이 오른쪽으로 확산한 총 몰수와 B성분이 왼쪽으로 확산한 총 몰수는같다.이러한 확산을 등몰 확산이라 하며, 증류조작이 이것에 해당한다. 등몰확산은 A와B의 확산속도는 같고 방향만 반대이므로 NA = -NB 이며, A, B두 성분에 대한 식은여기서 yA = CA /C 로 무차원 농도를 나타내며, Dm 은 몰확산 계수라 한다.따라서 등몰 확산의 경우에는 분자확산속도는 위치 1～2사이의 분압 차 또는농도 차에 비례하고 확산거리는 반비례함을 알 수 있다.바. Fick's law난류가 없을 때, 단위 확산 넓이에 대한 성분의 확산속도는 확산방향으로의 농도구배에 비례하며, 그석을 다음과 같이 나타낸다.여기서는 몰확산계수이며, 이식을 Fick's law라 한다. 한편 성분 B에대하해서는이 두식에서는 몰플럭스,,는 농도구배이다. 이 식은열전도에서 Fourier식과 비슷하다. 2성분계에서, 전계가 정지상태에 있을경우,이므로,이므로,이다. 따라서,따라서 2성분계에 있어서는 그 어떤 성분의 확산계수는 다 같다.사. 기체의 확산 계수기체의 분자 확산은 기체 분자의 직선 운동의 결과로 이루어진다. 32℉,1atm 인 때, 질소분자의 운동 속도는 1490 ft/sec이나, 분자상호간의 충돌로인하여, 실제 유효속도는 상당히 적다. 온도가 상승하면 분자운동이 증가하므로 확산계수가 커지며, 분자량이 증가하면 확산계수는 감소한다. 이는기체의 분자운동론에서 예측할 수 있으며, 다음과 같이 표시된다.여기서,: 몰농도(lbmol/ft3),평균속도 :이다.K : 볼쯔만 상수, 5.62×10-24 ft?lbf/Rd : 분자하나의 질량(lb): 평균자유경로(분자 직경 : d ft 일 때)이상기체의 경우,,이므로 같은 기체사이의 확산계수는,A, B 두 기체 사이의 확산계수는라고 하면,실제 분자 상호간의 작용을 고려하여, 챠프만?엔스코그는 다음 식으로나타내었다.여기서,T = 절대온도()MA, MB = A, B의 분자량rAB = (rA+rB)/2 로서 충돌 때의 분자간의 거리,[Å]= 충돌함수 =, 분자간의 인력, [ft-lbf] 이다.실험식에 의하면식에서와는 임계온도() 및 임계부피(ft3/lbmol)이며,는표준비점()이다.아. 액체의 확산 계수액체의 확산 속도는 기체의 경우보다 적으며 대개 농도에 따라서 증가한다.근사치는 다음 식을 계산할 수 있다.여기서,Dm: 확산계수 (lbmol/ft?hr)MB: 용매의 분자량μ: 용액의 점도 (lb/ft?hr)T: 절대온도(): 용액의 몰 농도 (lbmol/ft3)VA: 표준비점에서의 용질의 액상부피(ft3/lbmol)K1: 용매의 회합인자(association parameter)이 식은 전해질이나 농도가 희박한 경우에는 사용할 수 없다.5. 실험 장치 및 시약가. 실험장치(1) 버니어 캘리퍼스가 달린 현미경(2) 파스테르 피펫(3) 항온조(4) 온도계(5) 초시계(6) 기체확산 계수 측정장치(SERA-B)나. 시 약(1) 아세톤 : Dm(0.082592cm2/s)(2) 메탄올 : Dm(0.132921cm2/s)6. 실험방법가. 위 실험 장치에서 capillary tube에 Acetone(CH3COCH3)을 채우고 항온조에서 일정온도(40oC)를 유지한다.나. capillary tube상부는 suction pump에 의해 공기흐름을 유지한다.다. 시간에 따른 액위의 이동을 측정한다.라. 위의 과정과 동일하게 메탄올에 대해서도 측정한다.7. 실험결과가. 실험 조건 : 25℃ 1atm, 항온조 온도(50℃)나. 결과 Data(1) Methanol시간(min)03691215높이변화(mm)00.10.611.31.5(2) Acetone시간(min)03691215높이변화(mm)00.71.41.82.12.6다. 결과 분석(1) 분석 공식위의 식을 이용하여 T vs. () 관계를 나타내면 다음과 같다.(2) T vs. () 관계 표시간(min)03691215Methanol00.010.129611.692.25Acetone00.491.963.244.416.76(3) T vs. () 관계 그래프(4) 분 석위 공식에 의하면 그래프의 기울기는에 해당되며 각각 메탄올과 아세톤에 대해 계산하면 다음과 같다.(가) 메탄올0.4904 =-= 0.791 g/cm3- MA = 32 [g/mol]-= 1-= 0-= 1.16*10-4= 0.0186(나) 아세톤- 메탄올과 동일한 과정을 거쳐서 계산 하면= 0.03138. 토의사항가. 문헌값은 챠프만-엔스코그식을 이용하여 분자간의 인력을 감안하여 계산한것이다.나. 식을 통해 확산계수는 온도에 비례하고 분자간거리와 충돌함수 그리고 분자량에 반비례함을 알 수 있다. 본 실험에서는 온도는 50℃로 고정시키고 분자량이 서로 다른 두 화합물을 이용하여 확산계수를 측정하였는데, 실험 결과는 분자량이 큰 아세톤의 경우가 확산계수가 크게 나왔는데 이는 아세톤의 증기압이 메탄올 보다 크기 때문이거나 계산 과정상의 착오로 판단된다.다. 실험값의 경우 시간과 액의 높이 차를 이용하여 구한 것이다.라. 실험 과정상의 오차 요인으로는 다음 사항들이 있다.(1) 기온을 상온(25℃)으로 가정하였다.(2) 압력을 1기압이라고 가정하였으니 이는 정확히 1기압이 아니다.(3) Capillary tube는 안의 액을 제거하기가 곤란하여 한번 사용하였던 것을 그냥 다시 사용하였는데 이전 실험에서 사용한 시약이 뭍어서 잔류하여 순수한 시약이 아니다.(4) Capillary tube에 지속적인 공기 또는 질소 가스를 공급해야 하나 장치의 문제로 할 수가 없었다.마. 현미경의로 액위를 관찰시에 표면장력 때문에 액이 구형을 나타내므로 정확한 기준을 정하여 액위를 읽어 주어야만 일정한 실험결과를 얻을 수가있다.9. 결 론물리적 자극(농도구배, 압력구배, 온도구배, 원심력)에 의해 분자가 이동하는것을 확산이라고 하며, 기체 분자의 확산은 농도, 온도, 분자량 등에 의해 영향
1. 이승기 박사리승기는 1905년 전남 담양에서 출생하였다. 1925년 중앙고등보통학교를 졸업하고 일본으로 건너가 마츠야마(松山) 고교를 졸업하였다. 1928년 교토제대 공업화학과에 입학하였고, 졸업 후 모교의 일본화학섬유연구소의 연구강사가 되었다. 당시의 상황을 보면 1930년대 후반 들어 일본의 대외관계가 악화되고 미국의 나일론을 필두로 합성섬유공업이 시작되자 일본의 대표적인 수출산업이었던 견직물업은 큰 위기를 맞았다. 따라서 일본은 이에 대처하기 위해 폴리비닐알콜(PVA)을 섬유 원료로 쓸 수 있는 가능성에 대해 연구하였다. 리승기도 이 연구에 착수하여 이듬해인 1939년 훗날 '비날론'으로 불리게 되는 '합성1호'를 발명하였다. 이 업적으로 그에게 공학박사 학위가 수여되었다.1950년 7월 31일 월북한 그는 북한 정권의 강력한 후원 하에 비날론 공업화 연구에 착수하여, 1959년 논문 비날론 섬유의 연구와 그 공업화로 그 성공을 거두게 되었다. 비날론은 그 개발자가 한국인이라는 점, 그 기초 원료가 북한에 풍부한 석회석이라는 점, 그리고 전통적 옷감인 면과 성질이 비슷하다는 점으로 인해 북한에서 높은 평가를 받았으며, 일명 '주체 섬유'로 불리기도 하였다. 비날론의 공업화는 과학기술의 중요성, 과학기술자의 위상을 사회적으로 크게 높였을 뿐만 아니라 '주체'라는 용어의 사용을 정당화해주는 과학적 근거가 되었다. 물론 '주체'라는 말이 처음 쓰여진 것은 그보다 몇 년 전의 일이지만 아주 자연스럽게 유포된 것은 이때부터였다. 이 무렵 이후에야 우선은 과학기술계를 중심으로 '과학에서 주체를 확립하자'라는 주장이 본격화되며 문학, 언어, 경제 등 다른 영역으로 그 사용이 빠르게 확산되었다. 이 주체라는 것은 무엇보다도 과학에서 그 진위가 밝혀졌으므로 가장 과학적이고 나아가서는 사회주의적인 것으로 인식되었던 것이다. 리승기는 이 업적으로 1959년 제1회 인민상을 수상하였고, 1962년에는 사회주의권의 노벨상과 같은 레닌상을 수상하는 등 북한 최고의 과학자가 과학활동이 당장은 아니지만 시간이 흐르면서는 남한과 북한의 과학기술 발전에 중요한 밑거름이 되어 나갔다. 리승기의 과학연구는 중소분쟁을 계기로 대두된 자립노선에 힘입어 더욱 중요성을 얻게 되었고 드디어 1961년에는 대공장이 세워져 비날론 섬유가 빛을 보기에 이르렀다. 어찌보면 태평양전쟁 시기에 부상한 일본적 과학기술이 북한적 과학기술로 전환되며 결실을 맺게 되었음을 볼 수가 있다. 이후 북한에서는 석회석, 무연탄, 전기로 생산되는 비날론처럼 자체의 부존자원과 인력, 설비 등에 기반한 주체 과학기술이 주류를 형성하며 다른 나라에서는 좀처럼 보기 힘든 독특한 모습을 지니게 되었다.2. Leo baekeland베이클라이트(Bakelite)는 벨기에 태생의 화학자 Leo Baekeland가 1907년 개발한 어두운 색의 단단한 플라스틱으로, 최초로 특허를 취득한 중합체 플라스틱이었습니다. 카르복시산과 포름알데히드로 만들어진 베이클라이트 수지는 보통 충진제(섬유 또는 목분으로 강화되었다.)1900 년에는 전기화학회사를 운영하던 베이클랜드가 더 완전한 절연체를 만들기 위해 새로운 물질에 대한 연구를 시작했다. 그 동안 절연체로 쓰이던 셀은 전기가 많이 새기 때문에 절연체의 재료로는 부적당했다. 그는 연구 도중에 1872년 독일의 화학자 바우어가 두 가지 화학제를 혼합해서 천연수지인 셀과 비슷한 물질을 만들었음을 알게 되었다. 바우어가 만든 물질은 석탄산(페놀)과 포르말린을 섞고 여기에다 약간의 산을 첨가해 만든 것인데, 천연수지인 셀과 달리 단단하고 열에 강하며 화학약품에 잘 녹지 않는 성질을 가지고 있었다. 베이클랜드는 바우어의 물질이 열에 잘 녹지 않는다는 결점을 알아내고 산 대신 알칼리인 암모니아를 결합시켜 보았다. 그 결과 그 물질은 빨리 굳지도 않았고 딱딱하지도 않았다.베이클랜드는 실험을 계속해서 결국 아주 이상적인 플라스틱을 만들게 되었다. 그가 만든 플라스틱은 열을 가하면 처음에는 물러졌다가, 더 높은 열을 계속해서 가하면 오히려 더욱 단단해지는 성질을 사'와 같이 오늘날에도 유명한 미국의 전기회사들이 사용하기 시작했다. 그 후 베이클랜드는 '제너럴 베이클랜드 회사'를 설립했고, 연구를 거듭해 더 많은 종류의 합성수지 제품을 만들었다. 그의 고분자물질의 구조·물성(物性)에 관한 예견은 차례차례 증명되었다. 그의 이상은 동시대의 많은 과학자들과 마찬가지로 과학의 성과로 사회의 진보를 실현하는 데 있었다. 미국화학회 회장으로 있었고 말년에는 컬럼비아대학 명예교수가 되었다. 베이클라이트를 활용하게 되면서 플라스틱은 다양한 형태로 소비자들의 일상 생활에 등장하기 시작했습니다. 이 물질은 절연성이 있어서 헤어 드라이어, 라디오 진열장, 재떨이, 카메라 등에 사용하기 적합합니다. 또한 베이클라이트는 목재와 유사하게 보이는 장점이 있어서 자동차의 계기판과 손잡이(knob)에 많이 사용되었다. 또, 새로운 정보통신산업에 필요한 고압 라미네이트를 만들기 위해 종이나 직물을 침투 처리하는 데 사용되었다.베이클라이트 : 벨기에의 L.H.베이클랜드가 미국에서 1906년에 발명한 합성수지의 일종이다. 경화되기 전의 제1차 반응에서 생긴 것이 천연(天然)의 로진을 닮았기 때문에 합성수지라고 불리며, 베이클라이트의 상품명으로 공업화되어, 오늘의 인조재료(人造材料), 즉 플라스틱의 시초가 되었으며, 전기절연성 ·기계적 강도 ·내열성이 우수하다. 제1차의 반응 때 산성으로 하면 노볼락수지가 되고, 알칼리성으로 하면 레졸계가 된다. 목분(木粉)이나 안료(顔料)를 섞거나 종이에 침투시켜서 형틀에 넣고 가압 ·가열해서 성형(成型)시킨다3. Hermann staudinger독일 유기화학자. 보름스 출생. 김나지움을 졸업하고 당시 세계 유기화학의 중심 지였던 독일의 뮌헨에서 유기화학자인 A. 베이어의 가르침을 받으며 화학을 연구하였다. 1905년 스트라스부르의 F.K.J. 틸레 밑에서 조수로 있을 때 새로운 물질 ＜케텐＞을 발견하여 학계의 주목을 받았다. 1907년 26세에 카를스루에공업대학교수가 되었고, 이때 탄성고무를 연구하였다. 이 연구로 ＜다. 당시 독일에서는 탄성고무나 셀룰로오스, 단백질 등의 화학구조에 관하여 상반된 2가지 입장이 있었다. 하나는 저분자설로 G.H. 헤스, C. 하리에스 등을 중심으로 하여, 고무나 셀룰로오스는 비교적 작은 분자량의 고리모양화합물이 다수의 콜로이드상태로 ＜회합＞ 또는 ＜응집＞한 것이라 하였다. 한편 슈타우딩거와 K. 프로이덴베르크는 이들 물질은 매우 많은 수의 원자가 에탄분자 내의 결합력과 같은 1차결합(오늘날의 공유결합에 의한 화학결합)이고 긴사슬모양으로 연결된 거대분자라고 생각하였다. 26년의 학회에서는 저분자론자의 압도적 우세로 끝났지만, 30년 독일 콜로이드학회에서는 저분자론자가 완전히 고립되고, 거의 모든 유기화학자가 슈타우딩거의 고분자설을 지지하게 되었다. 그는 작은 분자가 단순한 물리적 집합(aggregation)이 아닌 화학적 상호작용에 의해 긴 사슬형 구조(중합체)가 됨을 밝혀냈다. 그는 이러한 선형 분자는 여러 과정을 거쳐 만들 수 있으며, 화학적 변형에도 불구하고 이들의 개별적 특성이 유지됨을 발견했다. 또한 중합도가 큰 고분자나 구조를 만드는 방법을 제시했으며, 중합도가 큰 중합체의 분자량과 점성도(粘性度) 사이의 관계를 밝혔다. 이것은 코페르니쿠스적 전회(轉回)에 가까운 획기적 사실로 53년 고분자화학의 창시자로서 노벨화학상을 받았다. 슈타우딩거의 고분자설은 1930년대 미국의 W.H. 캐러더스에 의한 합성고무 ＜네오프렌＞, 합성섬유 ＜나일론＞의 성공으로 확고한 지위를 얻어 오늘날의 플라스틱시대를 열게 하였다.4. Wallace Carothers미국의 유기화학자. 나일론의 발명가로 알려져 있다. 일리노이 대학에서 학위를 받은 다음, 일리노이 대학과 하버드 대학의 유기화학 강사를 거쳐서 1928년에 뒤퐁사의 중앙연구소 유기화학부장으로 초빙되었다. 그곳에서 평생 고분자화학의 기초연구를 하였으며, 중합반응에 의하여 형성되는 물질의 합성을 연구하였다. 이 연구 결과로서 클로로프렌 중합에 의한 합성고무(Synthetic Rubber)를 발견하여 성공하였다. 주요한 연구 논문은 1940년의 《고중합물(高重合物)에 관한 캐러더스 논문집, Collected Papers of Wallace Hume Carothers on High Polymeric Substances》에 수록되어 있다. 이것은 합성고분자화학에서 최초의 성공을 기록한 귀중한 문헌으로서 역사적 의의를 띠고 있다.그러나, 정작 이 제품의 개발자 캐러더스는 자신의 발명품이 날개 돋치듯 성황을 이루는 행복한 장면을 볼 수가 없었고, 그로 인한 부와 명성도 누리지 못했다. 캐러더스 박사는 뒤퐁사가 나일론의 발명을 발표하기 전해인 1937년 4월 필라델피아의 한 호텔에서 이유를 알 수 없는 자살을 하고 말았기 때문이다.나일론 : 나일론은 그 종류가 수천 가지에 이르나, 합성섬유로 응용되는 것은 주로 두 종류이다. 하나는 나일론 6,6으로 주로 뒤퐁사가 발매하고 있는데, 제조법은 벤젠을 출발물질로 하는 합성법이 대부분을 차지한다. 한편, 미국 이외의 많은 나라에서 공업화된 것은 나일론 6으로, 먼저 ε-카프롤락탐을 합성하고 이를 고리열림중합[開環重合]시켜 제조한다. 탄소 6개로 이루어진 ε-카프롤락탐이 그대로 중합하여 고분자를 이루므로 나일론 6이라 부르게 되었다. 나일론 6,6과 나일론 6은 배열순서가 바뀔 뿐 모두 C1H20(CO)2(NH)2의 화학식을 가진다. 또한 두 종류 모두 섬유로서의 강도나 비중이 1.1이고 내약품성에 있어서도 매우 유사하나, 녹는점만이 6,6은 250℃, 6은 210℃로 다르다. 따라서 타이어코드와 같이 내열성이 요구되는 용도에는 6,6이 더 좋다.이밖에 나일론 6,10이라는 헥사메틸렌디아민과 세바스산으로부터 합성한 것, 나일론 11이라는 피마자유를 원료로 하여 제조된 나일론도 있다. 나일론 12는 부타디엔을 출발물질로 하여 제조되는데, 안정성이 좋다. 이와 반대로 (CH2)가 적은 나일론 4나 나일론 5 등도 있다. 녹는점은 나일론 6보다 높고 수분흡수율도 높으나, 안정성에 난점이 있다. 뒤퐁사는 생사(生絲)와 유사한 섬유된다
![[화공실험] 기체확산결과보고서](https://image4.happycampus.com/Production/thumbnail/2005/05/25/data3506703-0001.jpg)
