[화공기초실험]액체의 상호 용해도

실험 목적

물-벤젠 용액에 대한 초산의 용해도를 측정하여 세 가지 액에서 이루어지는 용액의 조성을 3가지 각도로 작성하여 나타낸다.

실험 이론 및 원리

1. 실험 배경

1) 분배의 법칙

① 일정한 온도에서 서로 섞이지 않는 용매 A, B 가 2층으로 되어 있을 때, 양쪽 용매에 모두 녹는 물질 C를 가하여 잘 섞어주면, 두 용매에 녹는 물질 C의 농도의 비는 다음 식에서와 같이 일정하게 된다.

CB/CA = K  … (1)

여기서, CA: 용매 A 에 녹는 C의 농도 (g㏖/㎤)

CB: 용매 B 에 녹는 C의 농도 (g㏖/㎤), K: 분배계수(-)

 

② 물질 C가 용매에 단분자로서 녹아 있다고 가정했을 때 성립하는 것으로 용매중에서 분자가 만나거나 전이를 일으키고 있는 경우에는 만나는 정도나 전이도에 의한 보정을 할 필요가 있다.

 

2) 보정의 예

① 분자가 용매 A중에서 단일 분자로 녹고, 용매 B중에서 n 분자가 만나 Cn으로 되어 있 을 경우 (1) 식은 다음과 같이 표기된다.

CB/CAn = K' … (2)

정확하게 CB에 Cn 의 농도를 취해야 하지만 분석적으로 n의 값을 구하는 것이 곤란한 경 우에는 단일 분자로서의 농도를 나타내는 것으로 하면, CB농도는 그 1/n이 되므로 분배계 수의 값은 K'의 n 배가 된다.

② 용질의 분해가 식 (1)을 따르는 경우 CA와 CB 의 관계는 다음과 같다.

CB = KCA … (3)

이 식은 일차식이 되나 식(2)을 따르는 경우

CB = K'CAn … (4)

이 식을 대수식으로 하면, 식 (5)와 같다.

logCB = nlogCA + logK' … (5)

양 대수 그래프에 나타내면, 직선의 교차에서 직접적으로 n이 구해지며, logCB 축 상의 절편에서 logK'를 계산하여 K'의 값이 구해진다.

 

3) 본 실험에서 서로 거의 녹지 않는 물-벤젠 용액에 초산을 가하여 분배의 법칙을 조사하거나 초산의 양이 증가하면, 분배의 법칙에서 벗어나 전체가 균일한 용액으로 된다. 이 세 가지 액의 질량비로써 3각도를 작성한다.

실험 기구 및 시약

1. 실험 기구

1) 항온조, 뷰렛, 뷰렛 지지대, 벤젠, 빙초산, 증류수

2) 코니칼 비이커

사용 : 다른 비커처럼 용액의 조제나 (비커에 물을 붓고 소금을 넣어 녹이는 등)

일반적인(쉬운) 반응의 용기로 쓰입니다.

특징 : 입구가 좁다(비커나 플라스크는 기본 실험기구인 관계로 각각의 비커마다 큰 특징은 없다.)

 

2. 실험 시약

1) 빙초산

화학식 CH3COOH. 아세트산은 순도가 높을수록 녹는점이 높아지는데, 98%의 것은 13.3℃이고 순수한 것은 16.6℃이다. 따라서 순도가 높은 아세트산은 낮은 실온에서 얼음 상태인 고체가 되므로 빙초산이라는 이름이 붙었다.

빙초산은 아세틸렌과 물의 반응 또는 알코올의 공기산화에 의하여 아세트알데하이드를 얻고 이것을 다시 산화시켜 얻는 무색의 액체로서 물과 대부분의 유기용매에 용해되고 수용액은 산성을 나타낸다. 빙초산이 피부와 점막에 닿으면 심한 염증을 일으킨다. 용매 또는 유기화합물을 합성하는데 많이 사용되고 있다.

 

2) 벤젠

C6H6 의 분자식을 갖는 간단한 방향족 탄화수소이다. 콜타르를 분별증류하거나 석유로부터 얻는다.

실험 방법

1. 실험 과정

1) 항온조에서 온도를 일정하게 하고 코니칼 비이커에 일정량의 벤젠을 넣는다.

2) 비이커에 적당량의 증류수를 가한다. 이 때 상분리가 일어난다.

3) 혼합용액에 빙초산을 적하시키면, 벤젠과 증류수의 상이 없어지며, 혼합될 때의 빙 초산의 양을 구한다.

4) 온도의 변화를 주어 실험을 반복한다.

실험 결과

1. 실험 결과

먼저, 각 물질의 밀도를 조사해보면, 증류수 = 0.99g/㎖, 벤젠 = 0.87g/㎖, 빙초산 = 1.049g/㎖ 이다.

밀도= 부피/질량 이므로 질량= 밀도/부피

벤젠의 밀도가 증류수의 밀도 보다 낮으므로, 비커 속에는 위에는 벤젠 아래에는 증류수로 층이 나뉘어 져있을 것이다.

 

1) 20℃

횟수	누적량(㎖)			질량(g)			질량비
	증류수	빙초산	벤젠	증류수	빙초산	벤젠	증류수	빙초산	벤젠
1	25	40	25	24.75	41.96	21.75	0.280	0.474	0.246
2	25	55	25	24.75	57.7	21.75	0.238	0.554	0.209
3	25	70	25	24.75	73.43	21.75	0.206	0.612	0.181
4	25	80	25	24.75	83.92	21.75	0.190	0.643	0.167
5	25	85	25	24.75	89.165	21.75	0.182	0.657	0.161

 

2) 40℃

횟수	누적량			질량(g)			질량비
	증류수	빙초산	벤젠	증류수	빙초산	벤젠	증류수	빙초산	벤젠
1	25	55	25	24.75	57.7	21.75	0.238	0.554	0.209
2	25	75	25	24.75	78.68	21.75	0.198	0.629	0.174
3	25	85	25	24.75	89.165	21.75	0.182	0.657	0.160
4	25	100	25	24.75	104.9	21.75	0.165	0.693	0.144
5	25	110	25	24.75	115.39	21.75	0.153	0.713	0.134

 

토의 사항

1. 실험 고찰

일반적으로 세 가지 이상의 용액이 섞여 있는 경우 용해도를 정확히 파악하기 위해서는 한 용액을 기준으로 다른 용액들이 기준이 되는 용액에 대해서 얼마나 녹는가를 측정하여 나타내야 한다. 이를 액체의 상호 용해도라고 하는데, 본 실험은 액체의 상호용해도를 알아보는 실험이었다.

실험을 하는데 있어서 실험조건인 온도를 각각 20℃, 40℃의 두 경우로 했고, 온도에 따른 밀도차이는 고려하지 않는다는 가정을 했다. 처음에 벤젠과 증류수는 서로 층을 이루고 있었지만, 벤젠과 증류수 모두에 녹는 빙초산을 가해줌으로써 각각의 액체의 상호용해도를 측정하였다.

본 실험을 하면서 각 실험진행 횟수에 따라 빙초산을 넣어준 양을 측정하였는데, 증류수와 벤젠사이의 층이 없어지는 시점을 정확하게 찾기가 정말 어려웠다.

본 실험은 그저 눈으로 눈금을 읽는 것으로서만 측정하였기에 약간의 오차가 발생했다고 생각한다. 빙초산을 넣어주면서 유리 막대로 저어가며 층의 존재 유무를 관찰하였는데, 층이 다 사라졌다고 생각하고 빙초산의 양을 측정하였을 때, 시간이 조금 지나니 다시 층이 생기는 경우가 있었다. 또한, 층도 잘 구분이 되지 않았을 뿐더러, 확실한 층의 교합에 대한 시각적인 정의가 안 되어 있어 정확하지 않은 실험이었던 것 같다.

참고 문헌

1. 화학공학실험1, 유만형 외 2인, 삼광출판사

2. 일반화학실험, 대학화학교재편찬회, 삼경문화사