[화공기초실험]고체와 액체의 평형 : 상평형 그림(Phase diagram) 1부

실험 목적

순수한 나프탈렌 및 3개의 조성이 다른 나프탈렌-디페닐아민 혼합물의 냉각 곡선을 구하여 상평형 그림에서 4개의 조성에 대한 데이터를 얻는다. 조성이 다른 여러 종류(다른 실험조가 한 결과)의 실험 결과와 종합하여 나프탈렌-디페닐아민계의 상평형 그림을 그려서 상평형 그림 및 냉각 곡선의 성질을 이해한다.

실험 이론 및 원리

1. 실험 배경

순수한 물질의 어는 점(freezing point)은 그 물질의 특이한 물리적 성질이다. 어는 점은 냉각 곡선으로부터 얻어지는데, 냉각 곡선(cooling curve)이란 액체 상태의 물질을 일정한 속도로 식히면서 시간에 따른 온도의 변화를 그린 도표이다. 그림 1에서 순수한 물질의 전형적인 냉각 곡선을 보여준다.

그림 1에서 온도 T℃ 에서는 얼마동안 시간에 따라 온도 변화가 없이 일정하다는 것을 주의 깊게 관찰하여라. 순수한 물질의 어는 점에서는 고체와 액체가 서로 평형 상태에 있기 때문에 남아 있는 액체가 고체로 전부 변할 때까지는 온도 변화가 없다.

한 종류의 순수 물질이 아니고 2 개의 순수 물질을 섞어 용액을 만들 경우 이 용액을 2성분상(binary phase)이라고 한다. 이러한 혼합 용액을 냉각시키면 그 때 각 성분의 어는 점은 본래 순수한 물질의 어는 점보다 낮아진다. 이러한 현상을 빙점 강하(freezing point depression) 현상이라 한다.

그림 2에 2성분계의 냉각 곡선을 나타내었다. T℃에서 온도가 시간에 따라 일정하지 않고 (그림 1참조) 계속 천천히 떨어지는 것을 볼 수 있다. 이것은 T℃에서 혼합 액체의 조성이 변하기 때문이다. 그림에서 T′℃에서는 두 성분 모두가 어는점이 된다.

2성분계의 어는점은 그 구성 물질의 혼합 비율에 따라 달라진다. 2성분계 용액의 어는 점과 각 성분의 혼합 비율과의 관계를 나타낸 그림을 2성분계에 대한 상평형 그림(phase diagram)이라고 한다. 비스머스(Bi)와 카드뮴(Cd) 2성분계를 예로 들어 2성분계의 전형적인 상평형 그림을 그림 3에 나타내었다.

그림에서 A-B선은 액체 혼합물과 고체 Cd사이의 평형을, B-C선은 액체 혼합물과 고체 Bi사이의 평형을 나타낸다. 만일 20% Bi와 80% Cd 혼합 용액을 400℃에서 천천히 식히면 280℃ 근처(그림에서 1로 표시한 점)에서 최초로 Cd 고체가 석출하며 냉각 곡선의 기울기가 변하게 되고, 계속 식혀주면 Cd 가 더 많이 석출하면서 액체 내의 조성이 변하게 된다. 약 145℃에서는 완전히 Bi 와 Cd 가 모두 얼게 되며 따라서 이 온도에서 또 한번 냉각 곡선의 기울기가 변하게 된다(그림 2참조).

위와 같은 방법으로 조성이 다른 혼합 용액들의 냉각 곡선들로부터 상평형 그림을 그릴 수 있고, 또한 상평형 그림으로부터 어떤 조성을 가진 혼합 용액에 대해서도 그 냉각 곡선을 쉽게 예측할 수 있게 된다.

그림 3

실험 기구 및 장치

1. 실험 재료

∙온도계 ∙스탠드 및 클램프 ∙비이커(500㎖, 100㎖) 2개 ∙마분지 ∙시험관(⌽3㎝) 및 고무(또는 콜크)마개

∙철사줄 ∙어림 저울 ∙나프탈렌(naphthalene) ∙디페닐아민(diphenylamine)

실험 방법

1. 순수한 나프탈렌의 어는점

1) 실험 장치와 같은 장치를 조립한다. 비이커 덮개로 두꺼운 종이(마분지)의 중간을 오려내어 시험관이 통할 수 있도록 하고 젓개는 철사줄을 구부려서 만든다.

2) 약 10g의 나프탈렌을 시험관에 넣고 물중탕에서 가열하여 나프탈렌을 다 녹인다. 나프탈렌이 녹아 있는 상태에서 온도계와 철사줄 젓개가 달린 고무 마개를 끼우고 온도계 높이를 나프탈렌 용액에 완전히 잠기게 조절한다.

3) 물중탕을 치우고 시험관의 물기를 재빨리 잘 닦은 후 대신 빈 비이커를 실험장치와 같이 장치하여 공기의 대류 현상을 방지한다.

4) 젓개로 잘 저어주며 약 30초마다 온도를 읽어, 온도가 30℃정도 될 때까지 시간-온도의 데이터를 얻어라. 어는 점에 도달하면 고체화하여 더 이상 젓개로 저을 수가 없으니 그때는 그대로 온도를 읽을 수 밖에 없다.

5) 측정이 끝난 후 시험관을 씻을 때는 먼저 시험관을 가열하여 나프탈렌을 녹이고 (온도계가 100℃눈금 온도계이면 온도가 100℃이상 되어서는 안되니 주의해야 한다. 이 때는 물중탕을 이용해서 녹이는 것이 안전하다.) 종이에 녹은 나프탈렌을 붓고 종이를 잘 싼 후 고체시약 버리는 곳에 버려야 한다. 시험관 내벽에 있는 나프탈렌은 톨루엔, 사염화탄소 등 비극성 용매를 사용하여 씻어 버리면 된다.

 

실험 장치

 

2. 나프탈렌-디페닐아민 혼합액의 냉각 곡선

1) 미리 정한 무게 비율로 전체 양이 약 10g되게 나프탈렌과 디페닐아민을 각각 무게를 정확히 잰 후 잘 섞어 시험관에 넣고, 앞에서와 같은 방법으로 냉각 곡선을 구한다.

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