[반응현상실험]결정화(crystallization) 1부









실험 목적


1. 우리가 사용하고자 하는 용액에는 우리가 원하지 않는 물질들 즉, 불순물들이 많이 포함되어있다.


2. 본 실험에서는 이러한 불순물들을 용액으로부터 분리해내는 많은 방법 중 강제냉각과 자연냉각의 방법을 사용함으로써 원하는 용액과 용질을 나누고 결정화에 대해서 알아볼 수 있다.




실험 이론 및 원리


1. 결정화

결정화의 사전적 의미로는 액체 또는 비결정상태의 고체가 결정을 형성하는 현상이다. 결정화는 우리 실생활에 여러 가지의 예로 이용되고 있는데 대표적인 예로는 겨울철에 쓰이는 손난로가 있다. 손난로의 똑딱이를 누르면 그 안의 과포화상태 물질이 급격한 결정화를 이루면서 발열을 하여 우리가 열을 느낄 수 있는 것이다. 이러한 결정화는 용매와 용질의 종류에 따라, 온도 그리고 농도에 따라서도 차이가 있을 것이다. 여기서 우리는 농도와 냉각 방법에 따라서 실험을 실시할 것이다.

 

2. 온도와 용해도

본 험에서 우리는 용액을 냉각함에 따른 온도와 이에 따른 용해도와의 관계를 알아보고 도시화해 볼 것이다. 압력이 일정한 조건에서 온도와 용해도의 관계는 다음과 같다.


(1)

Li : 성분 I의 잠열 R : 기체상수    T : 온도   xi : I의 용해도

 

여기에서 Li의 값을 일정온도 범위에서 일정하다고 가정하고 (1) 식을 풀어주면 다음과 같다.


(2)

Lm : 순용매에 대한 잠열 Tm : 순용매의 융점



(2)의 식은 희박용액의 응고점 강하로 표시한 값인데 △t 값으로 나타낸다. △t = Tm-T로 나타낼 수 있는데 희박용액에서는 같은 용매라는 조건에서는 용질의 종류에 관계없이 같은 값을 나타내고 농도가 같을 때도 같은 용해도를 나타낸다.

 

다시 식 (1)로 가서 이 식의 적분을 풀어보자. 잠열이 일정하다는 조건하에 용해도는 다음과 같이 나타낼 수 있다.


(3)

x1 : T1에서의 용해도    x2 : T2에서의 용해도

 

순용매질의 융점 Tm에서는 x2 = 1 이므로 (3)식은 다음과 같이 된다.

(4)


(4)식을 통해 우리는 이상용해도를 얻을 수 있다.



실험 방법


1. 실험 과정

1) 증류수의 질량 100g 당 Na2S2O3의 x M의 용액을 만든다.


2) 실험 시간을 좀 더 단축하기 위해서는 Na2S2O3의 농도를 높게 할수록 결정화가 잘 되기 때문에 높게 할수록 빨리 결과를 얻을 수 있다. 하지만 너무 높게 하면 실험을 시작하기도 전에 결정화가 시작되므로 적당하게 조절을 하여 농도를 정하는 것이 좋다.

 

3) 가열 비등하여 물이 증발하기를 기다린다.

 

4) 항온조를 이용하여 적정온도를 맞춘다. 여기서 온도는 너무 낮게 하지 않는다. 그 이유는 너무 낮은 온도로 맞추면 실험을 시작하기도 전에 냉각이 시작되기 때문이다. 40℃ 정도가 적절하다고 생각된다.

 

5) 강제냉각 장치를 준비하고 자연냉각과 같이 냉각을 시작한다. 시작 시간이 달라도 상관은 없지만 좀 더 명확하게 육안으로 차이를 확인할 수 있을 것이다.

 

6) 3분마다 온도를 체크하고 결정화 상태를 사진 저장한다.

 

7) 30분 후 실험을 종료하고 다른 농도로 실험을 반복한다.






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