간단한 증류

혼합성 혼합물의 증류

일부 액체는 실온의 열린 용기에 그대로 두면 시간이 지남에 따라 완전히 증발합니다. 그러나 이 증발 과정은 액체가 가열되면 크게 가속화될 수 있습니다. 액체가 가열됨에 따라 그 안의 분자는 액체 상태를 탈출하고 거품 형태로 기체 상태로 전이할 수 있는 에너지를 얻습니다. 이러한 현상을 비등(boiling)이라고 합니다.

증기압

밀폐된 액체 용기를 고려하십시오. 처음에는 이 액체의 일부가 증발하지만 기화 속도가 응축 속도와 같아질 때까지만 증발합니다. 이 지점에 도달한 후에는 시스템에 더 이상의 변화가 없으며 액체와 증기가 평형 상태에 있습니다. 이것이 확립되면 액체 위의 증기에 의해 가해지는 압력을 증기압이라고 합니다. 액체가 기화하는 경향을 휘발성이라고 합니다. 휘발성이 높은 액체는 증기압이 더 높고 휘발성이 낮은 액체는 증기압이 낮습니다.

열린 액체 용기를 가열하면 더 많은 액체가 증발합니다. 충분한 열이 가해지면 액체에 증기 거품이 형성되고 액체가 끓습니다. 액체의 증기압이 대기압과 같은 온도를 끓는점이라고 합니다.

순수한 물질의 경우 증기압을 간단하게 결정할 수 있습니다. 다른 액체의 혼합물은 어떻습니까? 순수한 액체가 혼화성 균질한 용액을 형성하는 경우, 각 액체는 분압으로 총 증기압에 기여합니다. 가스 혼합물의 총 가스 압력은 각 가스가 단독으로 가하는 개별 압력의 합과 같습니다. 이 규칙을 Dalton의 법칙이라고 합니다. 따라서 혼합물의 총 증기압을 결정하려면 순수 물질의 증기압과 총 혼합물에 대한 각 액체의 몰 기여도(몰 분율로 알려진 값)를 알아야 합니다. 이 관계는 라울트의 법칙으로 알려져 있습니다.

p_A = p_A* x_A

여기서_{p A}는 혼합물 내 액체 성분의 증기압이고, p_A^*는 문헌에서 참조할 수 있는 격리된 순수한 액체의 증기압이며, x_A는 액체 혼합물 내 액체 성분의 몰 분율입니다. 몰 분율은 액체 혼합물에 있는 각 성분의 총 몰 수에 대해 액체 성분의 몰 수를 나누어 계산합니다.

Dalton의 부분 압력 법칙은 각 개별 구성 요소의 증기압을 알고 있으면 적용할 수 있습니다.

P = p_A + p_B

총 압력(P)은 혼합물 위의 두 액체의 증기압의 합이며, 여기서 p_A 및_{p B}는 각각 혼합물 위의 액체 A 및 B의 증기압입니다.

끓는점

순수한 유기 물질이 액체 상태에서 기체 상태로 변하는 온도를 끓는점이라고 합니다. 혼합성 액체의 혼합물에서 용액의 총 증기압이 대기압과 같을 때 용액이 끓습니다. 따라서 혼합물의 끓는점은 두 개의 순수한 액체의 끓는점 사이의 온도에서 발생합니다.

혼합물이 끓는점까지 가열되면 일부 분자는 액체 상태를 벗어나 기체 상태로 들어갑니다. 가열되는 혼화성 용액에서 첫 번째 기포가 형성되기 시작하는 온도가 기포점 온도입니다. 순수한 액체의 경우 기포점은 끓는점과 같습니다.

기체 상태는 휘발성이 더 높은 성분 또는 증기압이 높고 끓는점이 낮은 성분의 분자가 풍부합니다. 증발하는 분자의 수는 더 많은 열이 가해질수록 증가합니다. 따라서, 액상은 휘발성이 적은 성분 또는 증기압이 낮고 끓는점이 높은 성분의 분자가 풍부합니다. 증류 중에 첫 번째 액체 방울이 형성되기 시작하는 온도를 이슬점 온도라고 합니다.

증기-액체 평형 다이어그램

증기-액체 평형 다이어그램은 이진 혼합물 성분의 몰 분율의 평형 온도에 대한 플롯으로, 액체 위상과 증기 위상에 대해 그려진 곡선이 있습니다. x축은 혼합물에 있는 두 성분 각각의 몰 분율을 나타내고 y축은 온도입니다. 이러한 플롯은 일반적인 혼합물에 대한 문헌에서 사용할 수 있으며 각 성분의 몰 분율이 주어지면 혼합물의 끓는점 온도를 식별하는 데 사용할 수 있습니다. 또한 증류 실험에서 각 단계의 구성을 결정하는 데 사용됩니다.

증류법

증류는 혼합물의 끓는점 특성을 이용하는 분리 기술입니다. 증류법을 실행하기 위하여는, 비등점에 있는 뜻깊은 다름을 가진 2개의 액체의 혼화성 혼합물 — 적어도 20 °C — 가열된다. 용액이 가열되어 휘발성이 더 높은 성분의 기포 점에 도달하면 휘발성이 더 높은 성분의 일부 분자가 기체 상태로 전환되어 응축기로 위쪽으로 이동합니다. 콘덴서는 내부 및 외부 섹션이 분리된 유리관입니다. 증기는 응축기의 내부 부분으로 이동하여 응축기의 외부 부분으로 흐르는 냉수에 의해 액체로 응축됩니다. 이 응축된 증기를 증류액이라고 하며 눈금이 매겨진 실린더 또는 시험관에 수집됩니다.

증류가 진행됨에 따라 휘발성이 더 높은 성분이 더 일찍 끓어남에 따라 용액을 끓이는 데 필요한 온도가 증가합니다. 따라서 증류 액의 조성은 시간이 지남에 따라 변합니다. 증류법 초기에, 증류액은 휘발성이 더 강한 성분으로 부유합니다. 증류의 중간에, 증류 액은 두 가지 성분의 혼합물을 포함합니다. 그리고 증류가 끝나면 증류액은 휘발성이 적은 성분이 풍부합니다.

증기 액체 평형 다이어그램은 증류 과정에서 플라스크와 증류 액의 액체 조성 모두에서 변화를 보여줍니다. 플롯에는 두 개의 곡선이 있습니다. 하단 곡선은 플라스크에 있는 액체의 끓는점을 그 조성과 관련하여 설명하고, 상단 곡선은 조성과 관련된 증기의 온도를 나타냅니다. 확장에 의해, 상단 곡선은 증류액의 구성을 설명합니다.

문헌에서 발표된 증기-액체 평형 다이어그램을 사용하여 실험 중에 주어진 온도에서 액체와 증기의 구성을 식별할 수 있습니다. 이는 두 성분을 분리하기 위해 증류를 종료할 시기를 결정하는 데 도움이 될 수 있습니다.

참조

1. Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2012). 화학 및 화학 반응성. 캘리포니아 벨몬트 : Brooks / Cole, Cengage Learning.
2. Silderberg, M.S. (2009). 화학: 물질과 변화의 분자적 성질. 매사추세츠주 보스턴: 맥그로 힐.
3. Felder, R.M., Rousseau, R.W. (2000). 화학 공정의 기본 원리. 뉴욕, NY : Wiley and Sons, Inc.

액체가 가열되면 기체 상태의 증가된 무질서가 액체 상태의 분자간 상호 작용보다 클 때까지 에너지를 얻습니다. 충분한 분자가 기체 상태에 있으면 거품 형태로 액체를 빠져나갑니다. 끓는점이라고하는이 효과는 물질의 총 증기압이 대기압과 같을 때 발생합니다.

증기압은 응축된 위상과 평형 상태에 있는 증기의 압력이며 온도에 따라 변합니다. 액체의 혼합물에서 각 구성 요소에는 자체 증기압이 있으며, 이를 분압이라고 합니다. 혼합물의 총 증기압은 분압의 합과 같습니다. 액체가 혼화성이 있는 경우, 즉 항상 균일한 용액을 형성하는 경우 각 구성 요소의 분압은 해당 온도에서 순수한 화합물의 증기압에 액체의 몰 분율을 곱한 값입니다.

액체 혼합물에서 증기의 첫 번째 기포가 형성되기 시작하는 온도를 기포 점이라고 합니다. 순수한 액체의 경우 기포점과 증기가 응축되기 시작하는 온도 또는 이슬점은 모두 끓는점과 같습니다. 그러나 두 가지 혼합성 액체의 혼합물의 경우 기포점과 이슬점은 모두 구성 요소의 끓는점 사이에 있습니다.

혼합물이 처음 끓을 때 증기는 끓는점이 낮은 화합물 또는 휘발성이 더 높은 화합물로 풍부합니다. 이것은 액체 혼합물에서 끓는점이 더 높거나 휘발성이 적은 화합물의 비율을 증가시킵니다.

증류는 이러한 현상을 이용하는 분리 기술입니다. 간단한 증류에서는 균질한 액체 혼합물을 끓입니다. 그런 다음 상승하는 증기는 수냉식 응축기의 내부 챔버로 들어갑니다. 증기는 증류액이라고 하는 액체로 응축된 다음 별도의 용기에 수집됩니다.

끓는 것이 계속됨에 따라 더 휘발성 성분이 제거됨에 따라 액체와 증기의 조성이 변합니다. 따라서 증류 액을 작은 분획으로 수집하면 각 분획에 다른 몰 비율의 화합물이 포함되어 있음을 알 수 있습니다.

액체 혼합물에서 휘발성이 적은 성분의 비율이 증가함에 따라 기포점과 이슬점도 증가합니다. 혼합물의 거품 및 이슬점과 성분의 몰 분율을 비교하면 끓는점 다이어그램이 만들어집니다. 이 다이어그램이 있으면 이슬점 곡선을 사용하여 주어진 온도에서 증기의 구성을 결정할 수 있습니다.

이 실험실에서는 시클로헥산과 톨루엔 혼합물의 간단한 증류를 설정 및 수행하고 실험 전반에 걸쳐 증기의 온도를 기록합니다. 그런 다음 시클로헥산과 톨루엔에 대해 발표된 끓는점 다이어그램을 사용하여 증기의 조성을 결정하고 증류 전반에 걸쳐 액체 혼합물의 조성을 추정할 수 있습니다.