[유기화학실험]Crystallization

실험 목적

순수하지 못한 유기 화합물을 재결정을 이용하여 정제할 수 있다.

실험 이론 및 원리

1. 불순물의 종류와 제거방법

① 일반적 불순물 : 먼지, 모래 부스러기 등은 유기용매에 녹지 않으므로 걸러내면 된다.

② 색을 띄거나 resin같은 불순물 : 활성탄이나 다른 흡착제를 사용, 흡착제를 과량 사용 하면 얻으려는 물질까지 흡착될 수 있으므로 유의해야 함.

③ 용매에 잘 녹는 불순물 : 불순물의 녹는점이 얻으려는 물질의 녹는점보다 높다면 녹은 상태로 걸러낸 용액(mother liquor)에 남아 있으므로 쉽게 제거 가능.

④ 용매에 잘 녹지 않는 불순물 : 용매에 덜 녹게 되면 얻으려는 물질과 같이 석출되므로 시행착오에 의해 적절한 방법을 찾아야 함.

 

2. 재결정

재결정(recrystallization)이란, 온도에 따른 용해도의 차이를 이용하여 순수한 물질을 얻는 정제방법을 말한다. 적당한 용매 내에서 대부분의 유기화합물에 열을 가하면 결정구조가 완전히 분해 되어 융해한다. 이상적으로 한 용매의 끓는점 부근에서 용해한 후 실온 또는 그 이하까지 서서히 냉각하여 용해도를 줄이면, 처음 고체가 용액으로부터 분리되어 순수한 결정화 물질이 용액으로부터 분리되고 불순물이 용융액이나 용액 속에 남아있게 되어 순도를 높일 수 있다. 우리의 실험은 99.5% Benzoic acid를 재결정화함으로서 정제하여 순도를 높인 결과물을 얻는 것이다.

 

3. 재결정의 대체적 순서

① 적절한 용매를 선택하여 가열하면서 고체물질을 녹인다.

② 뜨거운 용액을 여과하여 녹지 않는 불순물을 제거한다.

③ 걸러낸 용액(mother liquor)에 식혀 결정을 유도한다.

④ 결정을 걸러내어 건조시킨다.

※ 결과물의 녹는점을 측정하면 재결정의 순도를 알 수 있다.

※ 필요량이 전부 회수될 때까지 여과액을 버려서는 안된다.

 

4. 적당한 용매

① 용질과 불순물에 대한 온도계수(temperature coefficient)가 적합해야 한다.

즉, 정제하고자 하는 물질은 이상적으로 뜨거운 용매 속에서는 완전히 녹고 반면에 차가운 용매에서는 가능한 불용성이어야 한다. (이래야 용질의 회수량이 많다.) 한편, 불순물은 차가운 용매 속에서도 녹아있거나 혹은, 뜨거운 용매 속에서도 녹지 않아야 한다.

② 용매의 b.p.가 낮아야 한다.

결정의 drying과정이 용이하도록, solvent의 b.p.는 충분히 낮아야 한다. (실험에서는 용매제로 물을 사용함으로서, 120℃의 oven에서 충분히 기화되도록 하였다.)

③ 용질의 m.p.보다 용매의 b.p.가 높아야 한다.

용질을 용매에 녹이기 위해선 필수적이다.

④ 용매는 정제하고자 하는 물질과 화학적으로 반응하지 않아야 한다.

보통 극성화합물(polar compounds)은 비극성 용매(nonpolar solvent)에는 불용성이며 극성 용매에는 잘 녹는다. 반대로 비극성 화합물은 비극성에 잘 녹는다. 그러므로 극성이 강한 화합물은 뜨거운 비극성 용매에는 녹지 않으나 극성용매에는 차가와도 녹는다. 따라서 온도에 따라 녹기도 하고 녹지 않기도 하는, 중간 정도의 극성을 가진 용매가 가장 알맞다.

 

5. 결정 유도하기(결정이 생기지 않는 이유)

① 용매의 양이 너무 많다.

② 용매가 너무 부족하다.

용액이 과포화 되어있다.

용액이 과포화 되었을 때는 이 고체물질을 소량 첨가하여 결정핵으로 작용하도록 하며, 용기의 벽을 유리막대로 긁어주는 방법도 효과적이다.

실험 기구 및 시약

1. 실험 기구

125㎖ 삼각플라스크, 감압여과장치, 가열장치, 거름종이, 저울

2. 실험 시약

1) carbon activated powder(활성탄)

2) Benzoic acid

안식향산(安息香酸)이라고도 한다. 화학식 C6H5COOH. 분자량 122.13g/㏖이다. 끓는점은 250℃로 승화는 끓는점 아래의 온도인 100℃에서 이루어진다. 검 벤조인(gum benzoin:안식향) 속에 유리(遊離)상태로 존재하는 외에, 페루발삼이나 트루발삼 속에 벤질에스테르로서 존재한다. 무색의 결정으로, 찬물에는 녹기 어렵지만 뜨거운 물에는 잘 녹는다. 아세톤 ·에탄올 ·에테르 등의 유기용매에는 잘 녹으나, 석유에테르에는 녹기 어렵다. 각종 금속과 염을 생성하며, 알코올과 에스테르를 만든다.

톨루엔을 중크롬산염 ·황산으로 산화하면 생기는데, 공업적으로는 주로 프탈산무수물이나 벤조트리클로리드로부터 제조한다. 식품위생법에 의하여 허가된 방부제의 일종으로 간장에 쓰이는 외에, 매염제(媒染劑)로도 사용하고 있다. 나트륨염은 방부제 ·거담제(去淡劑)로 쓰이는 외에, 해열제로서 급성관절류머티즘 ·방광염 ·만성기관지염의 치료에 쓰인다. 또, 벤조산나트륨-카페인의 조제에도 사용된다. 또한 벤조산에스테르는 향료의 보류제나 용제로 사용한다.

실험 방법

1. 실험 과정

① 1g의 불순한 Benzoic acid를 125㎖ 삼각플라스크에 넣는다.

② 물 20㎖를 넣고 끓는점까지 끓인다.

③ 물은 조금씩 넣어서 Benzoic acid를 완전히 녹인다.

④ 용액을 내려놓고 식힌다.

⑤ 순수 benzoic acid는 무색이므로 0.5~1g의 carbon activated powder를 처리한다.

⑥ Hot Filteration

- Hot filtering : 결정을 용해하였을 때 녹지 않는 고체형태의 불순물(먼지, 활성탄소, 필터페이퍼 등)을 제거하기 위하여 행한다. 이번 실험처럼, 불용성 불순물이 없거나 용액이 맑으면 보통 이 과정을 생략한다.

⑦ 여과액이 든 비커를 냉각시켜 결정을 석출시킨다.

⑧ Filetration하고 세척

- Cold filtering : recrystallization으로 생성된 결정을 거르기 위한 filtering. 중력여과법과 감압여과법이 있다. 중력여과법은 다른 장치의 설치 없이 깔대기에 여과지를 접어서 여과액을 부으면 중력에 의해 여과가 되어지는 것을 말하고, 감압여과법이란 결정과 용액의 차가운 혼합물을 buchner 깔대기와 aspirator에 연결된 vacuum filter flask를 사용하여 감압여과방법으로 여과하는 것이다. trap은 물이 aspirator에서 역류하여 filter flask 속으로 들어오는 것을 막아준다.

⑨ 결정 사이로 공기가 지나가도록 아스피레이터를 수 분간 켜둔다. 그러면 대부분의 용매는 모두 증발한다.

실험 결과

1. 결과 분석

1) 거름종이 두장의 질량 : 1.8g

2) 감압여과 후 건조시킨 “결과물 + 거름종이”의 질량 : 2.7g

∴ 순수한 Benzoic acid의 질량 : 2.7 - 1.8 = 0.9g

3) 이론상 얻어져야할 Benzoic acid의 질량 : 99.5% × 1g = 0.995g

∴ 수득률 = 0.9/0.995×100% = 90.45%

토의 사항

1. 실험 고찰

일단 수득률은 만족할 만한 결과를 얻었다. 하지만 처음에 실험방법을 제대로 숙지하지 못하여 여러 번의 시행착오를 겪어야만 했다. 제대로 식지 않은 상태에서 활성탄을 첨가하여 돌비현상이 발생하였고, 활성탄+Benzoic acid 혼합물을 부흐너 깔대기에 넣을 때에도 조준을 잘못하여 벽에 묻게되어 오차가 크다고 생각되어서 재실험, 결과물이 거의 석출되지 않아 재실험. 그 결과 만족스러운 결과를 얻은 듯 하다.

 

실험에 오차가 생긴 원인으로는 첫 번째, 우리가 실험에 사용하는 양에 비해 너무 큰 실험기구를 사용하였기 때문에(실험기구가 준비되지 못하여, 특히 감입여과장치에서 필요이상으로 큰, 500㎖짜리와 1000㎖짜리를 사용하였음) 옮기는 과정에 손실이 발생되었을 것으로 예상된다. 그리고 식히는 과정에 타이밍이 잘 맞았는지 조금 빚나갔는지 모르지만 활성탄에 흡착된 미량도 존재할 것이라 생각된다. 감압여과장치를 여러번 거치지 않고 한번만 수행하였기 때문에 여과장치를 통과한 미량의 Benzoic acid도 존재할 것이다. 또한 하얀 가루형태의 결과물을 질량을 측정하기 위한 운반과정에 날아갔던 것과 건조과정을 빨리 진행하려고 마른 거른종이를 이용해 건조시켰던 점도 소실의 한 이유이다.

 

하지만 불완전했던 수분의 건조(감입여과장치를 오랫동안 통과시켰고 거름종이로 또 한번 건조단계를 거쳤기 때문에 예상보다 오차에 크게 영향을 못미친 듯 하다.), 거름종이(두장을 파열을 염려하여 두장을 깔았다. 하지만 두장 중 밑에 있던 종이)가 파열되어 미량의 활성탄이 mother liquor로 통과되었다. 결과 값에 “+”요인으로 작용하였으나 앞에 언급한 “-”요인보다는 영향이 적었던 것으로 생각된다.

 

“결과물 + 거름종이”의 질량을 측정했을때 2.6~2.7에서 왔다갔다 했다. 2.7에서 멈추긴 했지만 저울의 질량측정 소수점 단위가 0.1까지밖에 안되었기 때문에 좀더 정밀한 실험이 되지 못한 것 같아 아쉽다.