[유기화학실험]단순증류와 분별증류에 의한 용매의 정제

실험 목적

단순증류와 분별증류의 차이점을 이해하고 증류를 통한 결과물을 비교한다.

실험 이론 및 원리

1. 실험 배경

순물질은 녹는점, 끓는점이 일정하고, 물리적인 방법으로 분해되지 않으며, 혼합물은 녹는점, 끓는점이 일정하지 않다. 유기화합물을 합성할 때 불순물이 포함되기 때문에 이들의 정제는 화학에서 중요한 실험조작 중의 하나이다.

 

유기화학 실험실이나 공장에서 흔히 사용되는 불리 및 정제방법에는 증류법(distillation), 재결정법(re-crystallization), 추출법(extraction), 크로마토그래피법(chromatography), 승화법(sublimation) 및 전기영동법(eletrophoresis)이 있다.

 

이들 중 어느 방법을 사용할 것인지는 정제하려는 물질과 제거하려는 물질에 따라서 결정해야 한다. 가장 적합한 방법을 택하여 효과적으로 분리 및 정제를 하기 위해서는 무엇보다도 정확한 조작법과 원리를 이해해야 한다.

2. 증류(Distillation)의 종류 

1) 단순증류(Simple Distillation)

액체가 끓는 과정과 증기가 식는 과정이 반복되며 증류물을 다른 그릇에 모으는 것이다.즉 끓는 점의 차이가 큰 액체 혼합물을 분리하는 가장 간단한 증류방법으로 플라스크에서 기화된 기체를 냉각기에서 액화시켜 분리하는 방법으로 고체와 액체 혼합물을 가열하여 한가지 액체만을 얻는 방법.

2) 분별증류(Fractional Distillation)

서로 잘 섞여 있는 액체 혼합물을 끊는점 차이에 의해 분리하는 방법으로 두 액체의 온도변화에 따른 그래프를 사용하여 상 전이 구간을 찾아내는 것으로 원유 분리에 주로 쓰인다. 이는 여러 번의 단순증류를 거친 것과 같은 효과를 낸다.

 

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

물 Formula: H2O Molecular weight: 18.0153g/㏖

메탄올 Formula: CH4O Molecular weight: 32.0419g/㏖

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 물과 메탄올을 1:1로 섞어 각각 단순증류, 분별증류 한다. (단, 갑자기 끓는 현상을 막기 위해 비등석을 넣어야함.)

2) 2㎖씩 얻을 때 마다 온도를 기록한다.

3) 결과를 그래프로 옮기고 결과를 비교한다.

 

실험 결과

1. 결과 data

1) 단순 증류

부피(㎖)	온도(℃)	부피(㎖)	온도(℃)
0.0	62.0	14.0	80.0
2.0	63.5	16.0	82.0
4.0	64.0	18.0	88.0
6.0	70.0	20.0	92.0
8.0	71.5	22.0	95.0
10.0	74.0	24.0	96.0
12.0	78.0	26.0	96.0
		28.0	96.0

 

2) 분별 증류

부피(㎖)	온도(℃)	부피(㎖)	온도(℃)
0.0	63.2	12.0	75.0
2.0	67.0	14.0	80.3
4.0	67.9	16.0	87.2
6.0	68.0	18.0	94.9
8.0	70.0	20.0	95.7
10.0	71.9	22.0	95.7
		24.0	95.7

토의 사항

1. 실험 고찰

두 액체가 서로 잘 섞이고, 끓는점이 서로 다른 두 액체 혼합물을 가열하면 끓는점이 낮은 성분이 먼저 끓어 나오고, 끓는점이 높은 성분은 나중에 끓어 나오므로 끓어 나오는 증기를 각각 받아 냉각시키면 각 성분 액체로 분리할 수 있는데, 이와 같은 분리 방법을 증류라고 한다. 예를 들면 물과 아세톤은 서로 잘 섞이는 액체이며, 끓는점이 각각 100℃, 56.5℃로 서로 다르다. 따라서 이 두 액체의 혼합물은 끓는점의 차이를 이용하여 각 성분으로 분리할 수 있다.

서로 잘 섞이는 액체 혼합물에서 성분 물질들의 끓는점의 차이가 크지 않을 때는 먼저 끓어 나오는 성분(끓는점이 낮은 성분)과 나중에 끓어 나오는 성분(끓는점이 높은 성분)이 섞여 나오기 때문에 보통의 증류 방법으로는 순수한 물질을 분리할 수 없다. 이러한 경우에 증류되어 나온 물질을 받은 후 그 물질을 다시 증류하는 과정을 여러 번 반복하여 순수한 성분으로 분리하는데, 이와 같은 분리 방법을 분별증류라고 한다. 분별 증류로 분리할 수 있는 예로는 물과 에탄올, 물과 메탄올, 물과 아세톤, 원유의 성분 등이 있다.

단순증류를 여러 번 하면 분별증류의 효과를 볼 수 있으나 그 방법으로는 꽤 여러 번 단순증류를 해야 할 것이다. 이런 과정은 매우 지루하고 시간낭비이다. 따라서 분별증류관(fractional distillation column)을 쓰면 한 번에 거의 자동적으로 연속 증류를 행할 수 있다.

분별증류에서는 혼합용액이 둥근 flask에서 가열되어 증기가 flask에서 올라와 분별 증류관을 통과할 때 일부가 응축되는데, 관의 아래쪽이 위쪽보다 높은 온도가 유지되면 증기가 응축되어 응축액이 관 아래로 떨어지고 다시 일부가 기화된다. 응축되지 않은 증기는 응축액이 다시 기화되어서 만들어진 증기와 함께 관의 더 위쪽으로 올라가서 다시 응축하여 일련의 반복된 응축과 기화를 거치게 된다.

이것은 분별증류관 내에서 단순증류의 반복되는 것에 해당되며 각 단계에서 만들어지는 기체상이나 액체상은 분별증류관에서 위로 갈수록 더 휘발성이 큰 성분이 풍부하게 된다. 따라서,관 아래로 떨어지는 응축액은 각 증발-응축 단계에서 그와 평형을 이루고 있는 증기상보다 휘발성이 더 작은 성분이 풍부하게 될 것이다. 본 실험을 통해, 단순증류보다는 분별증류의 효율이 더 좋다는 것을 알게 되었다.

 

2. 오차의 원인

첫째, 시각 측정이므로 정화한 부피에서의 정확한 온도가 측정되지 않았을 수 있다. 라서 이 결과가 그래프에 직접적으로 영향을 줘 비교할 때 약간의 오차가 발생 했을 수 있다.

둘째, 단순증류나 분별증류 장치의 조인트부분에 흠이 발생해 정확한 실험치가 얻어지지 않았을 수 있다. 특히 단순증류를 하고 그래프를 그려봤을 때 엉성한 모양의 그래프가 나왔는데 이는 조인트 부분에 흠이 있어 열의 출입에 오차가 발생했을 가능성이 있다.

셋째, 시약을 정확한 비율로 맞추려고 했으나 역시 시각측정에 의한 비율로 들어갔기 때문에 정확한 비율이 들어가지 않았을 가능성이 있다. 따라서 실험에 조금 영향을 미쳤을 가능성이 있다.

 

 

참고 문헌

1. 유기화학실험, 양성봉, 이주연, 이재연, 지기환 편저, 도서출판 대웅, p.74, p.113