[화학공학실험]Liquid Diffusion (액체 확산) 1부

실험 목적

액체 확산 계수를 이용하여 액체와 액체간의 확산을 관찰하고 이에 대한 액체 확산 계수를 측정하고 계산한다. 몰수에 따른 NaCl의 전도도(conductivity)를 이용하여 액체의 확산속도 계수를 구한다.

 

실험 이론 및 원리

1. 물질 전달

물질전달은 상 사이의 경계면에서 물질이 서로 이동하는 것을 말하는 것으로 이동 원리는 확산에 의하여 일어나며, 물질 자신의 분자운동에 의해 일어나는 분자확산과 교반이나 빠른 유속 등에 의한 난류상태에서 일어나는 난류확산이 있다. 그러나 실제의 조작에서는 두 가지의 확산이 같이 일어나는 경우가 많으며 대부분 난류확산에 의해 물질이동이 일어나게 된다. 물질전달은 혼합성분에서 두 지점의 농도차이가 있을 때 일어난다. 따라서 두 개의 상 사이에서 농도의 차이가 크면 클수록 물질전달은 활발히 일어나게 된다.

 

2. 확산

확산이란 혼합물을 통해 각 성분이 물리적 자극의 영항을 받아 이동하는 것이다. 확산의 가장 보편적인 원인은 확산 성분의 농도구배에 있다. 농도구배는 농도가 같아지는 방향으로 성분을 이동시켜 구배를 깨뜨리려고 한다. 확산 성분을 구배의 고농도 끝에 일정하게 공급하고 저 농도 끝에서 일정하게 제거함으로써 구배가 유지될 때, 확산 성분의 흐름은 연속적이다. 이 이동은 물질전달 조작에서 이용된다. 예를 들면, 물 또는 묽은 용액과 접촉하는 소금 결정은 계면 부근에서 농도구배가 시작되어 소금이 계면에 수직한 방향으로 액체 층을 통해 확산한다. 계면에서 떨어진 소금의 흐름은 결정이 용해될 때까지 계속한다. 소금이 불용성 고체와 잘 섞여 있을 때, 이 공정은 침출의 경우가 된다.

확산의 일반적 원인이 농도구배이긴 하지만, 역 삼투압에서와 같은 활동구배, 압력구배, 온도구배 또는 원심력과 같은 외력 장에 의해서도 확산이 일어날 수 있다. 압력구배에 의한 분자확산을 압력확산(pressure diffusion)이라 하며, 온도에 의해 생긴 것은 열확산(thermal diffusion), 그리고 외력 장에 의한 것은 강제 확산(forced diffusion)이라고 한다. 이들 세 가지는 화학공학에서는 드문 경우이다. 여기서는 농도구배에 의한 확산만을 취급하기로 한다.

확산은 고체나 유체의 정지 층을 통한 분자이동에 한정되지 않는다. 확산은 또한 유체에서의 열 이동이 대류에 의해 일어나는 것과 마찬가지로 물리적 혼합과 난류의 와류에 의해 유체 상에서 일어날 수 있고, 이것을 와류확산(eddy diffusion)이라고 한다. 때에 따라서는 이 확산공정은 확산방향에 평행한 방향의 혼합물 본체흐름에 동반되기도 하며, 가끔 열 이동과 연관되기도 한다.

 

3. Fick의 제 1법칙

확산의 양은 거리에 따른 농도 차(농도기울기)에 좌우된다. 즉, 농도차가 클수록 거리가 가까울수록 확산의 양은 증가한다.

J=단위시간당 단위면적을 지나는 원자의 수 : Flux

D=확산계수, C=농도, x=거리

∂C/∂x = x방향으로의 농도 변화율

 

4. Fick의 제 2법칙

Fick의 제 1법칙에 시간의 개념을 추가한 방정식이다. 즉, 어떤 특정한 점의 농도기울기는 시간에 지남에 따라 농도가 변하므로 그 일시적인 농도기울기의 시간에 대한 변화율을 반영한 식으로 거리에 대한 2차 미분 방정식이 된다.

5. 확산계수 결정

V (외부 용기 속의 물의 부피), x (모세관의 길이)

d (모세관의 면적), N (모세관의 개수)

CM (단위 몰 변화에 대한 전기전도도의 변화)

M (NaCl 용액의 농도), dk/dt : 시간에 따른 전도도 변화

 

6. 확산 속도에 영향을 끼치는 요소

1) 농도 : 농도가 클수록 (즉, dC/dx클수록) 확산 속도가 빨라진다.

2) 확산계수 (D)

① 온도 의존성 : 온도 ↑, 기체분자의 운동E ↑, 속도가 빨라져 확산이 빨라진다고 볼 수 있다.

② 확산입자의 크기 및 종류

③ 확산방법 : 침입형 / 치환형 등의 방식에 따라 다를 수 있다.

④ 매질의 결정구조 : 매질의 결정구조에 따라 확산계수가 다르다.

 

실험 기구 및 장치

1. 실험 재료

1) 전도도 측정 장치, 마그네틱 바, 초시계

2) 0.01M, 0.1M, 1M의 NaCl

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