의류소재분석/ 기초실험-물질에 대한 이해 증류(Distillation) 패션산업학부.

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1 의류소재분석/ 기초실험-물질에 대한 이해 증류(Distillation) 패션산업학부

2 혼합물의 분리방법 증류 분별결정 추출 침전 액체 물질의 비점(b.p) 차이를 이용하는 방법. 분별증류라고도 함
고체 물질의 용해도(g/100g) 차이를 이용하는 방법 추출 고체 물질 중에 포함된 목적 물질의 용제 용해성을 이용하는 방법 침전 액체 물질 중에 포함된 목적 물질과 용매의 비중 차이를 이용하는 방법

3 증류의 개념 불순물이 포함된 액체 시료를 끓여서 증기화하고 일정한 곳으로 유도하여 냉각하는 것
불순한 용매를 정제하거나 높은 비점(boiling point)의 비휘발성 불순물을 제거하려 할 때 실시하는 조작

4 증류법의 종류 잘 섞여 있는 액체혼합물을 비점 차이에 의해 분리하는 방법. 상압증류
두 액체의 온도변화에 따른 그래프를 사용하여 상(phase) 전이 구간을 찾아냄. 분별증류라고도 함. 상압증류 낮은 압력에서는 물질의 비점이 내려가는 현상을 이용하는 분리법. 상압에서 끓는점까지 가열하면 분해할 우려가 있는 물질을 증류할 때 사용. (색소농축에 많이 사용) 감압증류 비점이 높고, 물에 거의 녹지 않는 유기화합물에 수증기를 불어넣어, 그 물질의 비점보다 낮은 온도에서 수증기와 함께 유출되어 나오는 물질의 증기를 냉각하여, 물과의 혼합물로서 응축시키고 그것을 분리시키는 증류법. 수증기증류

5 분별증류의 원리 증발과 증기압 증발(evaporation) Fractional Distillation
액체를 가열할 때 그 표면에 있는 분자가 대기 중으로 튀어나와 기체화(gasification)하는 현상. 온도가 증가하면 튀어나오는 분자수도 비례하여 증가하여 증발은 더욱 심하게 일어나며 분자들의 활동성은 커짐.

6 임계온도(critical temperature)
증기압(vapor pressue) 액체를 용기에 넣고 마개를 한 다음, 온도를 일정하게 유지 시키면 증발은 어느 한계점에서 멈춘다. 이 한계점의 상태에 있을 때 액체와 증기는 평형(equilubrium)에 도달. 평형점에 도달한 증기를 이 온도에서의 포화증기라 하고 포화증기가 나타내는 압력을 포화증기압(saturation vapor pressure), 또는 증기 압이라고 함. 임계온도(critical temperature) 증기압을 측정할 수 있는 범위내에서 가장 높은 온도. 임계온도 이상에서는 액체가 존재할 수 없음.

7 온도에 따른 증기압의 곡선 임계온도 비등점(boiling point) 증기압(p) 기체 액체 고체
어는점(freezing point) 온도(T) 온도에 따른 증기압의 곡선

8 액화와 증기압 액화(liquefaction)
기체상태에 있는 물질이 에너지를 방출하고 응축되어 액체로 변하는 현상.기체가 임계온도 이하에서 압축을 받으면 어떤 일정 압력하에서 기체분자들의 거리가 가까워져 인력이 커지게 되고, 액화가 일어나기 시작함. 액체와 그것의 증기가 공존할 때 그 온도에서 압력은 일정함. 이와 같이 액체와 증기가 평형을 이루고 있을 때의 압력을 포화증기압 또는 그 액체의 증기압이라고 함.

9 액체상태 분자 상호간의 힘을 절단 열 증발열 기체의 분자 액체의 분자 액체의 분자 액체의 분자

10 증기압과 끓는점 끓는점(비점, boiling point)
액체의 증기압과 외부의 압력이 같아지는 온도 외부 압력 기체 액체 액체 증기압 [상온에서의 평형] 외부 압력 가열 가열 액체 증기압 액체 증기압 외부압력=액체증기압 [끓는 상태]

11 끓는점의 변화 외부압력=액체 증기압 정상 끓는점(normal boiling point) 외부압력<액체 증기압 끓는점 하강 감압증류에 응용 고산지대에서 밥을 할 때 설익는 현상 외부압력>액체 증기압 끓는점 상승

12 혼합물의 끓는점 비휘발성 용질이 녹아있는 용액의 증기압은 순수한 용매의 증기압보다 낮아진다.
한 성분의 액체가 나타내는 증기압은 다른 성분의 액체의 방해로 낮아짐. 부분압의 합 즉 전체가 대기압과 동일하게 될 때 비로소 끓기 시작함. 순수 용매의 끓음 혼합용액의 끓음 순수 용매보다 끓는 용매의 분자수가 적어서 증기압이 낮아짐. 그 차이를 증기압 내림( p)이라고 함.

13 Tb P 용매의 증기압 용액의 증기압 Tb T’b 용액의 끓는점 오름 1atm 용매의 증기압 Tb : 용매의 증기압이 외부압력
과 같아지는 온도 용매의 증기압 용액의 증기압 Tb T’b 온도 용액의 끓는점 오름

14 끓는점이 올라가는 정도(ΔTb)는 용질의 종류와는 관계없이 용액 중에 들어 있는 용질 입자의 수(용액의 농도)와 용매의 특성인 끓는점 오름 상수에 비례한다. 이것을 식으로 나타내면 다음과 같다.    ΔTb = m kb    m 은 용액의 몰랄 농도이고,  kb는 몰랄 끓는점 오름 상수이다. 물의 경우 kb는 0.512℃이다.  몰랄농도(molality) : 용매 1kg에 녹아 있는 용질의 몰(mol)수, 기호는 m 몰농도(molarity) : 용액 1리터에 녹아있는 용질의 몰(mol)수. 기호는 mol/ℓ 또는 M

15 혼합물의 끓는점 끓는점이 다른 두 액체 혼합물은 각 끓는점 부근에서 기화한 후 냉각시켜 본래의 액체를 얻을 수 있다.
상이 바뀌는 구간에서는 온도변화가 없음 온도변화에 따른 상 전이구간 물의 기화구간 100 물의 온도가 올라가는 구간 80 온도 메탄올의 기화구간 60 (oC) 40 20 시간(분) 물/메탄올 혼합물의 분별증류시 상 전이구간

16 (혼합액의 증기압이 순물질의 증기압보다 낮음)
물/알코올 혼합물의 비점 물 : 100oC, 메탄올 : 64.1oC 알코올 물 물과 결합하여 알코올의 증발이 어려움 (혼합액의 증기압이 순물질의 증기압보다 낮음) 물이 알코올과 수소결합을 하고 있어서 알코올 분자는 제대로 기화하지 못하여 증기압이 내려감. 끓는점이란 액체증기압=외부압력이므로 끓기 위해서는 혼합물의 증기압이 순물질의 끓는점의 증기압이 될 때까지 온도가 상승하여야 함.

17 따라서 끓는점이 다른 두 액체를 혼합하여 끓이면
혼합물의 끓는점은 각 액체의 끓는 점 중간에 해당하는 끓는점이 나타나서 낮은 끓는점의 물질이 높은 끓는 점의 물질보다 더 많이 유출되고, 이후 끓는점이 차츰 높아진다.

18 분별증류 장치

19 Air cooled condenser의 종류
증류 장치의 조립용 기구 Distillation flask Liebig condenser Air cooled condenser의 종류

20 boiling bubble stone Glass Distilling Adapter Lab stand, Burette clamp, Ring clamp Erlenmeyer flask

21 장치의 조립 증류flask의 입구에 온도계를 삽입한 고무마개를 끼움. 온도계는 가지 바로 아래에 오도록 함.
Liebig냉각기를 stand에 설치. Clamp는 헝겊 등으로 감싼다. Flask 가지는 냉각기 속에 5~6cm 정도 들어가도록 함. 물은 낮은 곳에서 높은 곳으로 흘러 들어가게 함. 증류 초기액은 버리고 다음 액부터 포집함. 가열은 처음엔 강하게 비등이 시작되면 약하게 함. 증류 마지막엔 비등점이 높은 불순물이 유출되므로 flask속에 액이 약간 남아 있을 때 증류를 멈춤.

22 실험 (1) 준비물 시료 : 물, 아세톤(bp : 56.5oC) 각 50ml
기구 : 증류flask, 온도계, 냉각기, 고무마개, 고무관, 삼각flask, adapter, 석면망, 알코올 램프, 비등석 또는 모세관, mass cylinder (2) 실험방법 증류flask에 물 50ml와 아세톤 50ml를 넣는다. 가열하면서 30초마다 온도를 측정한다. 가열하기 시작하면서부터 온도가 일정하게 될 때까지 증류되는 물질을 포집한다. 온도가 변하지 않고 계속 끓고 있는 동안 증류되는 물질을 포집한다.

23 검토 5) 온도가 다시 올라가기 시작할 때부터 다시 일정 온도를 유지할 때 까지 증류되는 물질을 포집한다.
6) 두번 째로 온도가 변화하지 않고 계속 끓고있는 동안 증류되는 물질을 포집한다. 7) 그래프 상에 시간을 가로축, 온도를 세로축으로 하여 시간의 흐름에 따른 온도의 변화를 그린다. 8) 4)~7)에서 포집된 물질의 양을 mess cylinder로 측정한 후 불을 붙여 본다. 검토 그래프 각 구간에서 증류되는 물질은 무엇인가? 시간의 경과에도 불구하고 온도의 상승이 없는 이유는 무엇인가? 분별증류를 이용한 대표적인 공업기술에는 어떤 것이 있는가?