[공업화학실험]Sol-Gel법에 의한 SiO2 Gel 제조 2부






실험 방법


1. 실험 과정

1) 실험에 사용될 TEOS, 물, HCl 용액을 부피(㎖)로 계산하였고, 에탄올은 99.0%이 없어서 95%에탄올을 99%로 감안하여 계산하였다.


2) 실험대에 핫플레이트 위에 물을 담은 수조의 온도를 50℃로 유지시키고, 삼구플라스크에 준비한 에탄올과 TEOS를 천천히 넣어주면서 비교적 산소와 접촉을 줄이기 위해 신속하게 넣었다.


3) 수조의 온도가 50℃ 로 된 후 삼구플라스크 한쪽은 온도계 가운데는 증류수를 조금씩 넣어 가수분해를 시키도록 장치하였고 나머지 한 부분은 HCl을 넣기 위해 막아놓았다.


4) 교반 도중에 공기와의 접촉을 피하기 위해 삼구플라스크 입구 쪽에 구리스와 parafilm으로 밀봉했다.


5) 교반을 시키면서 증류수를 한 방울씩 천천히 넣어 주도록 하였다. 5분이 지난 후에 HCl을 조금씩 넣어주고 다시 밀봉하였다. 그리고 약 1.5시간동안 반응이 되도록 두었다.


6) 반응이 끝나고 비커에 담아서 합성된 sol을 drying oven에 80℃에서 하루정도 건조시켰다.



실험 결과


1. Raw data

비커의 질량(g)

85.8

비커 + SiO2의 질량(g)

93.57

SiO2의 질량(g)

7.77

SiO2 분자량

60.084g/㏖

 

2. 실험에 사용된 시약의 물리상수 및 부피(㎖)

종류

분자량(g/㏖)

㏖e (%)

사용몰수

밀도

TEOS

208.3

6.7

0.134

0.93

EtOH

46.07

25.8

0.516

0.79

H2O

18

67.3

1.346

1

HCl

36.5

0.2

0.004

1.20

 

3. 부피 계산

① TEOS :  208.3g/㏖ × 0.134㏖ × 100/98 × 1/0.93g/㎖ ≒ 30.63㎖


② EtOH :  46.07g/㏖ × 0.516㏖ × 100/95 × 1/0.794g/㎖ ≒ 31.52㎖


③ H2O :  18.00g/㏖ × 1.346㏖ × 100/100 × 1/1g/㎖ ≒ 24.2㎖

(24.2 - 22.14 = 0.417)-물의 양은 가수분해시 넣는 양을 빼서 계산


④ HCl :  36.5g/㏖ × 0.004㏖ × 100/35 × 1/1.20g/㎖ ≒ 0.35㎖

 

4. 수율 계산

Si(C2H5O)₄→ SiO₂+ 2O(C2H5)4

이론적 수율은 한계반응물 TEOS의 1/3

이론적 수득량 = 0.134 ㏖ (TEOS 와 증류수 의 반응비는 1:4이며, 여기서 한계반응물은 TEOS 이고, SiO2 의 생성몰수 역시 0.134㏖이다.

실험적 수득량 = 7.77g/1 × 1㏖/60.08g = 0.129㏖

수율 = 0.129㏖/0.134㏖ ×100% ≒96.3%

 


토의 사항


1. 실험 고찰

본 실험은 Sol-Gel법을 이용하여 구형의 SiO2를 제조하는데 목적이 있었다. 우선 TEOS와 EtOH를 담은 삼각플라스크에 증류수를 조금씩 가해주면서 가수분해하여 Si(OC2H5)4 + 2H2O → SiO2 + 4C2H5OH가 되고 다음 응축반응이 일어나고 Si(OH)4 → SiO2 + 2H2O 과정을 통해 SiO2 를 얻게 되었다.


실험에 쓰일 촉매로 인하여 구형의 SiO2 를 얻거나, 가지 형 SiO2 를 얻을 수 있다. 본 실험에선 구형 SiO2 를 얻기 위해 산 촉매(HCl)를 사용하였다. 삼구플라스크의 온도를 50℃ 로 유지하기 위해 핫플레이트 위의 항온수조의 물 온도를 50℃로 유지하고 물 중탕하였고, 가수분해를 하기 위해 삼구 플라스크의 가운데 입구에 dropping funnel을 설치하였다.


충분히 가수분해 시킨 후에 산 촉매로 쓰일 HCl을 조금씩 넣어주고 공기를 차단하기위해 parafilm과 구리스로 밀봉시켰다. 그 후에 1.5시간 교반하면서 반응을 시켰다. 실험 논문에 따르면 isopropanol (250 ㎚), ethanol (125 ㎚), methanol (5㎚)로 용매에 따라 그 크기가 달라짐을 알 수 있다. 


용매가 에탄올일 때의 온도에 따른 particle size

위 그래프에 따르면, 본 실험처럼 용매로 에탄올을 사용 했을 때 온도가 높아짐에 따라 particle size가 점점 줄어드는 것을 볼 수 있다. 반응 온도가 50℃ 였고, 용매로 에탄올을 사용했으므로 대략 24~26㎚의 particle size를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다. 그럼으로 이것은 Sol-Gel 반응에 온도와 용매 그리고 촉매에 따라 영향이 미친다는 것을 보여준다.


24시간동안 80℃ oven에 건조 시킨 결과 (93.57)g이 나왔고 이론상 ()g 보다 ()g 부족한 수득률 %를 얻게 되었다.그에 대한 오차는 첫 번째로 실험에서 사용할 EtOH 99%용액이 부족하였고, 95%용액으로 그 양의 계산과정에 생긴 오차가 있을 수 있다. 두 번째는 밀봉이 잘 되지 않아 오차가 발생 했을 수도 있다. 그리고 , 시약을 다루는 과정에서 TEOS는 산소와 반응성이 좋기 때문에 오차를 발생 시켰을 수 있다. 특히 dropping funnel에서 증류수를 다 넣은 후 나중에 잠궜는데, funnel에 있는 산소와 반응이 되었을 수 있다. 본 실험에서 핫플레이트는 정밀한 온도 유지가 힘들기 때문에 실험 중간에 조금 아쉬운 부분이였다.

 

2. 결론

실험의 목적은 Sol-Gel 반응을 통해 SiO2 를 최종적으로 얻는 것이였다. Sol-Gel 과정은 이름이 의미하는 것처럼 콜로이드 부유상태(=sol)을 만들고 이 졸에 젤화 과정을 통해 액체상의 망상 조직(=gel)으로 변환 시켜 무기질 망상 조직으로 만드는 것을 말한다. 금속 알콕사이드로 TEOS(Tetraethyl Orthosilicate)를 사용하고 ETOH은 용매로서 H2O는 가수분해를 위해 사용되었다. 염산은 산 촉매로서 가지형 SiO2 를 얻기위해 사용되었다. 삼각플라스크의 온도를 수조의 온도를 50℃ 로 유지함으로써 일정하게 하였고, 가수분해를 위하여 가운데 입구에 dropping funnel을 설치하였다.


충분히 가수분해 시킨 후에 산 촉매로 쓰일 HCl을 조금씩 넣어주고 공기를 차단하기위해 parafilm과 구리스로 밀봉시켰다. 그 후에 1.5시간 교반하면서 반응을 시켰다. 본 실험처럼 용매로 에탄올을 사용 했을 때 온도가 높아짐에 따라 particle size가 점점 줄어드는 것을 볼 수 있다. 반응 온도가 50℃ 였고, 용매로 에탄올을 사용했으므로 대략 24~26㎚의 particle size를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다. 그럼으로 이것은 Sol-Gel 반응에 온도와 용매 그리고 촉매에 따라 영향이 미친다는 것을 보여준다.


실험 후 24시간동안 80℃ oven에 건조 시킨 결과 (7.77)g이 나왔고 이론상 (8.05)g 보다 (0.28)g 부족한 수득률 96.3%를 얻게 되었다. 이러한 차이가 나온 이유로는 실험에서 사용할 EtOH 99%용액이 부족하였고, 대체하여 사용될 95%용액으로 그 양의 계산과정에 생긴 오차가 있을 수 있다. 또한, 밀봉이 잘 않되어 오차가 발생 했을 수도 있고, 시약을 다루는 과정에서 TEOS는 산소와 반응성이 좋기 때문에 오차를 발생 시켰을 수 있다. 특히 dropping funnel에서 증류수를 다 넣은 후 나중에 잠궜는데, funnel에 있는 산소와 반응이 되었을 수 있며, 반응기 내 온도 유지가 잘 되지 못한 점도 오차의 원인이 라 할 수 있다.



참고 문헌

1. 공업화학 실험1, 전북대학교 환경화학공학부, 2009 p.37～44






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