[물리화학실험]액체-액체 평형실험을 통한 분배계수 결정

실험 목적

서로 섞이지 않는 두 용매인 톨루엔과 물, 에테르와 물에 용질인 식초산을 녹여 평형에 도달했을 때 두 용매에 포함된 식초산의 농도 비율인 분배계수를 구해보고 용질의 평형분배에 대해 알아본다.

실험 방법

1. 실험 과정

1) 식초산 0.5N, 0.25N, 0.125N, 0.0625N과 수산화나트륨 0.5N, 0.05N을 만든다.

2) 톨루엔

① 만들어둔 식초산 50㎖에 톨루엔을 각각 50㎖씩 넣어 네 개의 분별깔때기에 나눈다.

② 분별깔때기를 흔든 후 평형에 도달하도록 놓아둔다. (톨루엔/물)

③ 피펫으로 톨루엔을 빼내어 0.05N 수산화나트륨으로 적정한다. 두 번 반복

*0.5N 식초산 시료는 10㎖ 빼내고, 나머지 3가지 농도의 식초산시료는 20㎖ 빼낸다.

 

3) 에테르

① 0.5N, 0.25N, 0.125N 식초산 50㎖과 에테르 50㎖를 혼합한다.

② 분별깔때기에 넣고 흔들고 평형에 도달하도록 둔다. (에테르/물)

③ 피펫으로 위층의 에테르를 꺼내서 0.05N 수산화나트륨으로 적정한다. 두 번 반복

*0.5N 식초산시료는 5㎖ 빼내고, 나머지 2가지 농도의 식초산 시료는 10㎖ 빼낸다.

 

4) 단일 추출

에테르 과정에서 아래층의 물 20㎖를 추출해서 0.5N 수산화나트륨으로 적정

 

5) 되풀이 추출

① 0.5N 식초산 에테르를 만든다.

② 위의 용액 75㎖와 물 75㎖를 깔때기에서 섞는다. 아래층의 물 25㎖를 뽑는다. 그물을 다시 넣는다. 세 번 반복 후 아래층의 물 20㎖를 뽑아내어 0.5N NaOH용액으로 적정한다.

실험 결과

1. 수식 기호

1) K : 가역적인 화학반응이 특정온도에서 평형을 이루고 있을 때, 반응물과 생성물의 농도관계를 나타낸 상수이며 반응물 및 생성물의 초기농도에 관계없이 항상 같은 값을 지닌다. 이 값이 크면 평형에서 생성물이 반응물보다 더 많이 존재함을 의미한다

2) N : 노르말농도. 용액의 농도를 나타내는 방법의 하나로 용액 1ℓ 속에 녹아 있는 용질의 g당량수를 나타낸 농도

3) Ka : 산의 해리상수. 산의 이온화 평형의 평형상수이며, 산의 세기를 나타내는 척도로 값이 클수록 이온화 경향이 크다.

4) C: 액체나 혼합기체와 같은 용액을 구성하는 성분의 양의 정도. 용액이 얼마나 진하고 묽은지를 수치적으로 나타내는 방법

5) X0 : V㎖의 용매 에테르 용액에서의 용질의 농도

6) X1 : V㎖의 용매 물을 써서 단일추출 한 후 용매 에테르 용액에서 추출되지 않고 남은 용질의 농도

 

2. Toluene - 물 계 분석

1) 실험값

식초산농도(N)	0.5	0.25	0.125	0.0625
0.05N NaOH 적정량(㎖)	1.7	1.7	0.65	0.4

2) 계산 관련 식

K = C1/C2

C1°(N') : N×V = N'×V' → N' = N×V/V'

(N : 적정염기의 농도, V : 적정량, V' : 취해준 부피)

C2° = C1° - C1°(C1°:상 1에서의 초기농도, C1°:전체 평형 농도)

Ka = 1.8×10-5, Ka : 산의 해리상수

Ka = 1.8×10-5

 

3) 계산

① 0.5N 식초산

C1° : 0.05N×1.7㎖ = C1° × 10㎖ → C1° = 8.5×10-3

C2° = 0.5 - 8.5×10-3 = 0.4915

K = 8.1×10-3/0.4616 = 0.0175

 

② 0.25N 식초산

C1° : 0.05N×1.7㎖ = C1° × 20㎖ → C1° = 4.25×10-3

C2° = 0.25 - 4.25×10-3 = 0.246

K = 3.97×10-3/0.2439 = 0.0163

 

③ 0.125N 식초산

C1° : 0.05N×0.65㎖ = C1° × 20㎖ → C1° = 1.63×10-3

C2° = 0.125 - 4.25×10-3 = 0.1234

K = 1.458×10-3/0.1219 = 0.01196

 

④ 0.0625N 식초산

C1° : 0.05N×0.4㎖ = C1° × 20㎖ → C1° = 1.0×10-3

C2° = 0.0625 - 1.0×10-3 = 0.0615

K = 8.658×10-4/0.0604 = 0.0143

C1°vs C2°/C1 그래프

 

3. 에테르 - 물 계 분석

1)실험값

식초산 농도(N)	0.5	0.25	0.125
0.05N NaOH 적정량 (㎖)	13.05	9.05	6.85

 

2) 계산관련 식

K = C1/C2

C1°(N') : N×V = N'×V' → N' = N×V/V'

(N : 적정염기의 농도, V : 적정량, V' : 취해준 부피)

C2° = C1° - C1°(C1°:상 1에서의 초기농도, C1°:전체 평형 농도)

Ka = 1.8×10-5

C2 = C2° 

3) 계산

① 0.5N 식초산

C1° : 0.05N×13.05㎖ = C1° × 5㎖ → C1° = 0.1305

C2° = 0.5 - 0.1305 = 0.3695

C2 = C2° = 0.3695

K = 0.3665/0.3695 = 0.9918

 

② 0.25N 식초산

C1° : 0.05N×9.05㎖ = C1° × 10㎖ → C1° = 0.04525

C2° = 0.25 - 0.04525 = 0.20475

C2 = C2° = 0.20475

K = 0.04435/0.20475 = 0.2166

 

4. 단일 추출, 되풀이 추출

1) 실험값

	0.5N NaOH 적정량(㎖)
단일추출	17.5
되풀이추출(3회)	7.65

2) 계산 관련 식

① 단일추출

X0 = 0.5N

 

② 되풀이추출

V1: 에테르 용액의 부피, V2: 물의 부피

 

3) 계산

① 단일추출

0.5N × 17.5㎖ = X1 × 20㎖

∴ X1 = 0.4375

K = ((0.5-0.4375)/75)/(0.4375/75) = 0.1428

∴ 추출분율 = (0.5-0.4375)/0.5×100 = 125%

 

② 되풀이추출

0.5N × 7.65㎖ = X1 × 20㎖

∴ X1 = 0.1912

X3 = 0.1912(75/(0.1428×25)+75)3 = 0.1663N

∴ 추출분율 = (0.5-0.1663)/0.5×100 = 66.74%

토의 사항

1. 실험 고찰

본 실험에서 톨루엔에서는 2분자 용질의 회합이 있었으나 물과 에테르 어느 쪽에서도 용질의 회합은 없었다. 이상적인 실험에서 분배계수는 순수한 용매들의 용해도의 비와 같게 되고 온도에만 간섭을 받는다. 따라서 같은 온도의 기구에 식초산의 농도만 바꾸어 진행한 실험이기 때문에 분배계수는 일정하게 나타나야 하지만 본 실험에서는 농도에 따라 차이를 보인다. 레포트에서 작성한 양과 달리 필요한 노르말 농도의 시료들의 양을 250, 200㎖ 로 만들었다.

본 실험에서 생길 수 있는 오차의 원인은 여러 가지가 있다. 사실 같은 온도의 기구, 시료라고 하지만 항온조에서 꺼낸 시간에 따라 온도는 변하게 돼있고 농도가 다른 시약을 사용해야 하므로 기구를 자주 씻은 부분도 온도 차에 어느 정도 간섭했을 것으로 보인다. 적정도 눈금을 맞추기 어려워 어느 정도 오차가 발생했을 것이다. 실험 내내 드는 의문으로는 세척한 기구를 건조시켜서 재사용할 여건이 아닐 경우 농도가 다른 시약이더라도 기구 표면에 농도가 다른 시약과 수돗물이 각각 묻어있는 경우 농도가 다른 시약의 경우가 오차가 적게 나타날 것이라고 생각했다.

참고 문헌

Oxtoby, D. W. et al., Principles of Modern Chemisty, 6th edition, Belmont: Thomson Brooks/Cole, 2008.