[화공기초실험]Binary Liquid-Vapor Phase(기액평형)

실험 목적

1. 2성분 액체-기체의 평형계를 공부하는 것이다.

2. 일정 압력하의 2성분 용액의 끓는점과 증기의 조성은 온도 대 성분의 그래프와 관계가 있다. 그러한 점들의 데이터를 2성분계의 증류를 통해서 얻은 후에 온도-조성 상평형 그림을 얻는다.

3. 어떤 영역의 조건 하에서 두가지 물질이 평형을 이룰 수 있는지를 판단해 본다.

실험 이론 및 원리

1. 실험 배경

2성분 이상의 성분으로 이루어지는 액체를 일정한 온도,압력 하에서 충분한 시간 방치해 두면, 액체와 그 액체의 증기 사이에 평형 상태가 성립된다. 이 때 증기에는 액체보다 끓는점이 낮은 성분이 많이 존재 한다.

혼합물의 성질을 알기 위해, 또는 실제 산업공정에서 물질을 분리하기 위한 분리공정 설계에 필수적으로 사용되는 자료의 한가지로서 흡수조작에 의한 설계를 계산할 때 쓰이는 기본 데이터이며, 이론적인 법칙으로 라울의 법칙과 상률에 대한 것이 있다.

 

2. 상률

증류는 어떤 조성의 혼합액에서 기화한 증기(액과 평형한 증기)의 조성은 원래의 조성과 다르다는 원리에 기초를 둔다. 따라서 증류문제의 기본적인 데이터는 증류 당하는 계의 액상 및 증기상 사이의 평형에 관한 데이터인 것이다.

기체-액체가 평형을 이루고 있을 때 이 계에 대하여 깁스(Gibbs)의 상률을 적용하면

 

F (자유도) = C (성분수) - P (상의 수) + 2

 

2성분계 기체-액체 평형상태에서 계의 성분수는 두가지이고, 상의수는 기상과 액상 두가지이다. 이 계의 자유도는 2 - 2 + 2 = 2가 되고, 온도, 압력, 기체-액체상의 조성 등의 상태량 중에서 2개의 독립 세기 성질을 규정해야 평형계가 정의된다.

 

3. 라울의 법칙

일정한 온도에서 이성분계의 혼합물이 기-액 평형상태에 있다고 하자. 비 휘발성 물질의 용액에서, 용매의 증기압은 용매의 몰분율에 비례하며, 또 용매의 증기압 내림율은 용질의 몰분율과 같다. 이러한 관계식을 라울의 법칙(Raoult's law)라 한다.

P = X Pa(X=용액에서의 몰분율, Pa=순수물질의 증기압)

 

휘발성 물질로 된 이상용액의 각 성분의 부분증기 압력은 Rault's Law에 따라

Pa =XaㆍPa*

Pb = XbㆍPb*

(Pa*, Pb* = 순수증기압)

 

이 혼합물의 전체 증기 압력

P = Pa + Pb = XaㆍPa* + XbㆍPb* = XaㆍPa* + (1-Xa)ㆍPb* = Xaㆍ(Pa* - Pb*) + Pb*

 

평형을 이루고 있는 증기의 조성 Ya와 Yb

Ya = Pa/P

Yb = Pb/P

이러한 식에 따라 평형을 이루고 있는 액체와 증기의 조성이 서로 같은 것이 아니라는 것을 알 수 있다. 평형을 이루고 있는 응축상과 증기상의 조성이 서로 다르다는 것을 이용하여 어느 한 쪽의 상만을 추출하면, 원래의 조성과는 다른 조성의 혼합물을 얻을 수 있다.

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

1) 유리관, 증류 플라스크, 어뎁터, 삼각 플라스크, 냉각기

2) 저울, 분별 깔데기, 에탄올, 증류수

 

실험 방법

1. 실험 과정

① 증류를 원하는 온도로, 일정한 속도를 유지할 수 있게 플라스크에 끓임쪽을 넣는다.

② 정확하게 증류한 액체 성분을 받을 수 있는 비커를 준비하고, 온도계를 꽂아서 온도를 측정한다. (온도계의 끝이 냉각기로 연결된 부분과 같은 높이로 설치한다)

③ 끓이고 증류된 액체가 2㎖ 모이면, 온도계의 온도를 측정한다.

④ 비커의 코르크를 막는다.

⑤ 불을 끄고, 증류를 멈춘 액체를 천천히 식힌다.

⑥ 온도가 내려가기 시작한 온도를 측정한다.

⑦ 10~20℃까지 플라스크를 식힌 후, 플라스크를 막고 있는 장치를 풀고, 플라스크에서 2㎖의 피펫을 이용하여 용액 2㎖를 빼낸다.

실험 결과

 

1. 결과 분석

몰분율을 알기 위해서, 에탄올의 몰분율이 0.1, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 인 경우의 밀도를 측정하여 이론값으로 사용하였다. 각 몰분율을 만들기 위하여 적절한 부피비로 혼합했는데, 그러기 위해 사용한 값들은 다음과 같다.

물의 분자량 = 18 g	물의 밀도 = 0.9912 g/㎖
에탄올의 분자량 = 46.07 g	에탄올의 밀도 = 0.7942 g/㎖

부피 = 질량/밀도

 

	0.1	0.2	0.4	0.6	0.8
에탄올(㎖)	1.05	1.26	2.13	4.80	3.2
물(㎖)	3	1.58	1	1	0.25
밀도 (g/㎖)	0.9739	0.9153	0.8684	0.8281	0.8163

 

여기서, 물과 에탄올의 밀도는 실험 조건에 따라 이론값과 다소 차이를 보였다. 실험에서는 직접 측정한 밀도를 이용하였다. 에탄올의 몰 분율이 클수록 밀도가 작아지는 것을 볼 수 있는데, 에탄올이 물보다 밀도가 작기 때문에 많은 몰분율이 클수록 밀도가 작아지는 것은 당연한 결과이다.

 

2. 결과 DATA

실험의 결과 6개의 다른 온도에 따른 액상과 기상의 밀도를 측정하였다.

온도	79℃	82℃	86℃	90℃	97℃	100℃
Liquid	0.9335	0.9500	0.9514	0.9685	0.9824	0.9802
몰분율(L)	0.1689	0.1408	0.1384	0.1092	0.0509	0.0636
Vapor	0.8281	0.8321	0.8428	0.8862	0.9012	0.9078
몰분율(V)	0.6	0.5801	0.5270	0.3215	0.2601	0.2320

이 밀도는 위에서 측정한 몰분율의 이론값과 일치하지 않기 때문에 이론값에 속하는 구간의 내삽을 이용하여, 몰분율을 계산할 수 있다.