[응용화공기초실험]3성분계의 상평형도 결정 2부

실험 결과

1. 결과 분석

1) 매 적정 종말점에서의 용액 조성의 무게％와 몰분율, 종말점까지 사용된 물, 톨루엔, 아세톤의 총 양을 X, Y, Z ㎖ 이라 하면 조성은 다음 식으로 구할 수 있다.

 

물의 wt% = 0.998X/(0.998X+0.866Y+0.792Z)×100

물의 몰분율 = (0.998X/18)/{(0.998X/18)+(0.866Y/92)+(0.792Z/58)}

 

1. 물 1㎖+톨루엔 9㎖
횟 수	1	2			3		4		5		6		7		8		9		10
물(㎖)	1	2			3.1		4		5		6		7		8		9		10.04
톨 루 엔(㎖)	9	9			9		9		9		9		9		9		9		9
적정아세톤양(㎖)	13	19			23		25.9		28.5		30.8		32.8		34.8		36.4		38.4
물의 wt%	5.228	8.036			10.630		12.360		14.114		15.685		17.140		18.422		19.695		20.777
톨루엔의 wt%	40.832	31.379			26.780		24.131		22.044		20.416		19.123		17.984		17.090		16.161
아세톤의 wt%	53.940	60.585			62.590		63.509		63.842		63.898		63.737		63.594		63.214		63.062
물의 몰분율	0.175	0.244			0.301		0.336		0.369		0.397		0.422		0.442		0.462		0.478
톨루엔의 몰분율	0.267	0.186			0.148		0.128		0.113		0.101		0.092		0.084		0.078		0.073
아세톤의 몰분율	0.559	0.570			0.550		0.536		0.518		0.502		0.486		0.474		0.460		0.450

 

2. 물 9㎖ + 톨루엔 1㎖
횟 수	1	2			3		4		5		6		7		8		9		10
물(㎖)	9	9			9		9		9		9		9		9		9		9
톨 루 엔(㎖)	1	2			3.04		4		5		6		7		8		9		10
적정아세톤양(㎖)	13.7	18.4			21.4		24.1		26.9		29.5		32		34.3		36.8		39.1
물의 wt%	43.395	35.521			31.446		28.484		25.947		23.925		22.239		20.852		19.559		18.478
톨루엔의 wt%	4.184	6.849			9.217		10.985		12.508		13.840		15.009		16.083		16.972		17.816
아세톤의 wt%	52.421	57.630			59.337		60.530		61.545		62.234		62.751		63.065		63.468		63.706
물의 몰분율	0.717	0.649			0.609		0.576		0.546		0.521		0.498		0.479		0.459		0.443
톨루엔의 몰분율	0.014	0.024			0.035		0.043		0.052		0.059		0.066		0.072		0.078		0.084
아세톤의 몰분율	0.269	0.327			0.356		0.380		0.402		0.420		0.436		0.449		0.463		0.474

 

2) 정삼각형 좌표

① 톨루엔 9㎖에 물 1㎖ 씩을 첨가한 경우

② 물 9㎖에 톨루엔 1㎖ 씩을 첨가한 경우

 

3) 임계점

(임계점은 실험자료를 바탕으로 위의 그래프에 작성하면 됨)

 

토의 사항

1. 실험 고찰

본 실험은 물, 톨루엔, 아세톤으로 이루어진 3성분 액상계의 종말점을 찾고 이 액상의 상평형도를 정삼각형 좌표계에 나타냄으로써 3성분 액상계의 상평형 거동과 정삼각형 좌표계를 이해하는 실험이다.

 

액체-액체 혼합계로써 먼저 물과 톨루엔을 삼각 플라스크에 넣으면 이 두 액체는 두 층으로 나뉜다. 극성인 액체(물)와 비극성인 액체(톨루엔)를 혼합하였을 경우에는 섞이지 않기 때문이다. 섞이지 않고 두 층으로 나뉘어진 삼각 플라스크에 아세톤을 조금씩 가하면 어느 한 층의 부피가 점점 줄어들면서 두 층이 서로 용해되어 섞이기 시작하고 종말점에 도달하면 한 층으로 합쳐진다.

 

본 실험은 톨루엔 9㎖에 물 1㎖ 씩을 첨가하는 실험과 물 9㎖에 톨루엔 1㎖ 씩을 첨가하는 실험으로 두 가지를 실험을 하는 것이다. 우리 조는 세명이어서 두명은 실험을 하나씩 맡아 실행하고 한명이 데이터를 적는 것으로 분담을 하여 실험을 했다. 나는 물 1㎖씩을 톨루엔 9㎖에 첨가하는 실험을 맡아서 실행했다. 처음의 적정에서 물 1㎖와 톨루엔 9㎖이 섞여 있을 때 적정에 필요한 아세톤의 양을 10㎖라 생각하고 과감히 넣었다. 그래도 적정이 되지 않고 두 층으로 나뉘어 있었다. 그 후 나는 1㎖씩을 첨가 해보았다. 이런 식으로 하여 13㎖의 아세톤을 넣자 두 액체가 혼합되었다. 또 1㎖의 물을 첨가하여 두 층으로 분리된 물과 톨루엔을 아세톤으로 다시 적정하였다.

 

본 실험에서는 아주 미세한 양의 아세톤이라도 초과하여 가한다면 종말점을 금새 임계점을 지나쳐 버렸다. 이러한 이유로 내가 실행한 실험에서 나는 10번 중 5번을 적정에 실패했다. 적정에서 임계점을 지나치면 혼합물이 투명해 진다. 이럴 경우 소량의 물이나 톨루엔을 가하면 다시 두 층으로 나뉘게 된다. 그러면 다시 아세톤으로 적정하면 된다. 내가 한 실험은 그나마 물과 톨루엔의 층 구분이 쉬운 것이었는데도 이렇게 많은 실수를 하였다.

 

이런 실수들이 실험 Data에서 wt%와 몰분율을 계산한 결과에서 나타났다. 실험을 진행할수록 매회 아세톤의 wt%가 증가해야 하는데 7회에서부터는 감소하기 시작했다. 이것은 아세톤의 첨가량이 종말점을 오버해 버렸기 때문이다.

 

본 실험은 아세톤을 얼마씩 가하라는 지표가 없어서 오로지 실험자의 직감으로 아세톤을 가해야 하는 것이라 많은 실수가 있었다. 또한 상의 경계를 구별하는 것 역시 실험자를 난감하게 했다. 하지만 실험자가 좀 더 신중히 실험에 임했다면 그리 문제되지 않은 것이었다고 생각한다. 잘못된 실험으로 많은 오차를 갖게 되었고 Data에서도 많은 오차가 생겼다. 실험에 임할 때 신중히 해야겠고 사전지식도 충분히 갖추어야 겠다.

 

2. 다음 혼합물에 대하여 각 물질의 무게 퍼센트 및 몰분율을 계산하라.

1) 물 1.00 ㎖ + 톨루엔 9.00 ㎖ + 아세톤 19.50 ㎖

물의 wt% = (0.998×1)/{(0.998×1)+(0.866×9)+(0.792×19.5)}×100 = 4.1%

톨루엔 wt% = (0.866×9)/{(0.998×1)+(0.866×9)+(0.792×19.5)}×100 = 32.2%

아세톤 wt% = (0.792×19.5)/{(0.998×1)+(0.866×9)+(0.792×19.5)}×100 = 63.7%

 

물의 몰분율 = (0.998×1/18)/{(0.998×1/18)+(0.866×9/92)+(0.792×19.5/58)} = 0.14

톨루엔의 몰분율 = (0.866×9/92)/{(0.998×1/18)+(0.866×9/92)+(0.792×19.5/58)} = 0.21

아세톤의 몰분율 = (0.792×19.5/58)/{(0.998×1/18)+(0.866×9/92)+(0.792×19.5/58)} = 0.65

 

2) 물 9.00 ㎖ + 톨루엔 5.00 ㎖ + 아세톤 30.32 ㎖

물의 wt% = (0.998×9)/{(0.998×9)+(0.866×5)+(0.792×30.32)}×100 = 24.1%

톨루엔 wt% = (0.866×5)/{(0.998×9)+(0.866×5)+(0.792×30.32)}×100 = 11.6%

아세톤 wt% = (0.792×30.32)/{(0.998×9)+(0.866×5)+(0.792×30.32)}×100 = 64.3%

 

물의 몰분율 = (0.998×9/18)/{(0.998×9/18)+(0.866×5/92)+(0.792×30.32/58)} = 0.52

톨루엔의 몰분율 = (0.866×5/92)/{(0.998×9/18)+(0.866×5/92)+(0.792×30.32/58)} = 0.05

아세톤의 몰분율 = (0.792×30.32/58)/{(0.998×9/18)+(0.866×5/92)+(0.792×30.32/58)} = 0.43

 

나. 용해도 곡선상의 점들이 다음 조성을 갖는다. 용해도 곡선을 그려라.

용해도 곡선상의 점들의 조성 (WT%)

성분 번호	A	B	C
1 2 3 4 5 6 7 8	0 16 25 30 27 20 10 0	90 70 55 40 27 20 16 14	10 14 20 30 46 60 74 86

 

참고 문헌

1. 물리 화학 3판, Peter Atkins, p.99~106, OXFORD, 2001년

2. 물리화학 실험, 김경림, 자유아카데미, 1999년

3. 물리화학의 원리, 박병각 외저, p.170~173, p.222~225, 학문사, 1995년

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