[일반화학실험]용매 추출(Solvent Extraction)

실험 목적

섞이지 않는 두 용매 사이에서 일어나는 용질의 분배계수를 구하고 용매추출의 원리를 이해한다.

 

실험 이론 및 원리

1. 추출(Extraction) : 혼합물에서 특정한 용매를 사용하여 얻고자하는 용질만을 용해하여 분리하는 과정

1) 화학적 방법 : 추출에는 고체로부터 특정한 성분을 용해하는 용매를 사용하는 추출방법과 서로 섞이지 않는 두 개의 용매를 이용해서 각각의 용매에 대한 용해도 차이를 이용해서 추출하는 방법 크게 두가지가 있다.

 

2) 용매의 조건

① 용액의 solvent와 섞이지 않아야 한다.

② 추출 후 용질로부터 쉽게 제거되어야 한다.

③ 용질과 화학적 반응이 없어야 한다.

④ 추출하고자 하는 용질에 대한 용해도가 커야 한다.

 

2. 분배계수(Partition or Distribution coefficient)

서로 다른 두 상이 평형을 이루고 있을 경우 그 평형 상태를 정의하는 기준 (CA/CB = KD)

서로 섞이지 않는 두 용매 사이에서 일어나는 용질의 분배평형은 두 용매에 대한 용해도에 근거한다. 일정한 온도, 압력 하에서 서로 섞이지 않는 두 용매 α,β가 층을 이루고 있을 때, 두 용매에 다 용해될 수 있는 용질M을 넣어주면 이 용질은 두 용매 층에 용해된다.

이는 농도 CA,CB 가 되어 일정한 비로 분배되어 평형을 이루게 된다. 이렇게 서로 섞이지 않는 두 용매 사이에서 용질의 용해도 차이로 각각의 용매에 용질이 분배되면서 평형을 이루고, 이때 정의되는 평형상수K를 분배계수라고 한다.

용질의 농도가 묽을 때에는 용질의 양에 관계없이 분배계수는 주어진 온도에서 일정한 값을 가지며 이 값이 클수록 용매추출에 의한 용질의 분배계수는 용질의 농도에 영향을 받게 된다.

실험 이론 및 원리

1. 실험 재료

1) 500㎖ 분별깔대기, 50㎖ 비커, 100㎖ 삼각플라스크, 25㎖ 피펫,

2) 50㎖ 뷰렛, 1-부탄올, 0.5N NaOH용액, CH3COOH

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 아세트산 수용액을 농도별로 400㎖ 제조한다.(0.0625N, 0.125N, 0.25N, 0.5N)

2) 125㎖ 분액 깔대기에 아세트산 수용액 50㎖를 넣는다.

3) 아세트산 수용액을 넣은 분액 깔때기에 벤젠 50㎖를 넣는다.

4) 강하게 흔든 후 20분간 방치해 놓는다.

5) 분액 깔때기의 heavy phase 6㎖를 vial에 옮겨 담는다.

6) 옮겨 담은 vial에 페놀프탈레인 용액을 약 3방울 정도 넣는다.

7) 0.1N NaOH을 뷰렛에 넣고 적정한다.

8) 위와 같은 실험을 아세트산 0.0625N, 0.125N, 0.25N, 0.5N농도로 각각 반복한다.

 

실험 결과

1. 결과 분석

Heavy Phase 50㎖(C1)	0.1N NaOH(N1)(Heavy Phase 6㎖(V2)에 대한)
0.5N	29.0㎖
0.25N	15.0㎖
0.125N	7.0㎖
0.0625N	3.7㎖

 

2. 추출 후 N2의 농도 (N1V1 = N2V2)

0.1N×29.0㎖ = N2×6㎖   ∴N2 = 0.483N

0.1N×15.0㎖ = N2×6㎖   ∴N2 = 0.250N

0.1N×7.0㎖ = N2×6㎖    ∴N2 = 0.117N

0.1N×3.7㎖ = N2×6㎖    ∴N2 = 0.062N

 

C1의 농도	N2의 농도
0.5N	0.483N
0.25N	0.250N
0.125N	0.117N
0.0625N	0.062N

 

3. 분배 계수

K = (0.5-0.483)/0.483 = 0.03520

K = (0.25-0.250)/0.250 = 0

K = (0.125-0.117)/0.117 = 0.06838

K = (0.0625-0.062)/0.062 = 0.00806

 

Heavy Phase의 농도	분배계수
0.5N	0.035
0.25N	0
0.125N	0.068
0.0625N	0.008

 

토의 사항

1. 실험 고찰

용매에 녹아있는 아세트산 수용액의 농도를 달리할 때, 벤젠과 섞인 회합물의 각각의 아세트산의 양을 0.1N NaOH 적정을 통하여 측정하고 농도를 계산하여 분배계수를 구하였다. 아세트산 수용액의 농도를 달리할 때, 두층의 용매에 용질이 어느 정도 이동하여 분배 되는지 확인하는 것이다. 일정한 온도 하에 두 용매가 평형일 때 용해된 물질의 양과 상관없이 분배계수는 일정한 값을 가져야 하는데, 실험값을 비교해보면 값들의 편차가 있다. 이러한 오차에 관하여 원인분석을 해보았다.

첫 번째로 NaOH의 농도가 정확한 값이 아니라는 점이다. 허나 적정용액의 농도가 정확하지 않는다는 가설보단 NaOH의 부피와 heavy phase (6㎖)의 부피를 잘못 채취하고, 잘못 읽었다는 쪽이 보다 신뢰성이 느껴진다.

두 번째로 앞서 말했던 heavy phase 6㎖ 이상의 값을 채취한 경우이다. 하지만 실수로 몇 방울 더 채취하여 양이 많아졌다고 하더라도 0.5㎖ 이하의 양으로 판단되며 NaOH의 값이 높게 나오는데 큰 영향을 미쳤다고 생각하진 않는다.

세 번째는 적정용액이 영향을 준 경우이다. 실험과정에 산-염기 적정이 포함되어 있는데 이 산-염기 과정에 참여한 시약이 Acetic acid와 NaOH이다. 이는 약산-강염기 적정이며, NaOH표준용액은 약간의 물을 흡수하여 탄산염을 만들고 탄산염을 포함하는 NaOH 용액이 산과 반응하여 완충용액(Buffer solution)을 만듦으로 약한 산을 적정할 때 선명한 종말점을 검출하기 어렵다는 성질이 있다. 이러한 완충용액으로 인하여 부피값이 높아지는데 영향을 미쳤다고 생각한다.

그리고, 실험도구에 대한 인지는 잘 되어 있었으나, 하나의 메스실린더로 아세트산 수용액과 벤젠을 채취하였기 때문에 세척에 보다 신경썼어야 했다.

정리하면, 농도별 실험과정을 통하여 분배계수의 의미를 확인하였으며 용해도, 산-염기 적정을 확인 할 수 있었다. 분배계수는 섞이지 않는 용매가 동일하고 온도차가 없으면 동일한 값을 가져야하나 결과가 이론을 뒷받침 해주지는 못하였다.

 

참고 문헌

1. 최신분석화학 – 북스힐, 유은순·차상원·최재성 지음, p.115