물리화학실험 | 2성분계의 상(Phase) 그림 - Phenol-Water Miscibility Diagram

TIP

 

 

2성분 평형계에(페놀과 물) 대해서 이해하고, 일정압력하의 2성분의 임계농도와 임계온도를 측정한다.

 

 

 

Phase(상)

물리학·화학 용어로, 어떤 물질이 어느 부분에서건 물리적·화학적으로 같은 성질을 나타낼 때를 표현하는 것이다. 기체상, 액체상, 고체상이 존재하고, 하나의 상으로 이루어지는 균일계와 2개 이상의 상으로 이루어지는 불균일계로 나뉜다. 어떤 물질의 어느 부분을 취해도 물리적·화학적으로 같은 성질을 나타낼 때, 그 물질은 하나의 상을 이룬다고 한다. 예를 들면, 공기는 질소·산소 및 그 밖의 기체의 혼합물이나, 혼합은 완전하고 또한 균일하므로 하나의 상을 이루고 있다.

 

이 경우에는 기체의 상이므로 기체상이라 한다. 식염수는 식염이 물에 녹은 것인데, 역시 균일하므로 하나의 상을 이루고 액체의 상이므로 액체상이라고 한다. 물의 결정인 얼음도 하나의 상을 이루는데, 고체의 상이므로 고체상이라고 한다. 또 상은 균일계와 불균일계로 나뉜다. 즉 하나의 상으로 이루어지는 계를 균일계, 2개 이상의 상으로 이루어지는 계를 불균일계라고 한다. 예를 들면 컵에 물을 담고 소금, 설탕, 탄산수소나트륨, 물감을 섞어 놓으면 단지 하나의 액체상을 이룬다. 만약 이 컵에 모래를 추가로 넣는다면 모래 알들끼리 따로 또 하나의 상(고체)를 이룰 것이다.

 

 

실험 방법

1. 2성분계의 상그림 작성

1) 페놀(phenol)과 물(water)의 2성분계의 상(phase)그림을 얻어내도록 한다.

 

2) phenol의 무게%로 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 85%의 용액을 만든다. (시간상 농도를 줄일 필요가 있을 경우에는 30%와 85%를 생략할 수 도 있다)

 

3) 상기 용액을 7개의 바이알에 각각 넣은 뒤 모든 바이알을 밀폐 후 수조 온도 75℃정도에서 15분 정도 방치하여 모든 바이알의 용액이 1개의 상이 되도록 한다.

 

4) 수조 온도가 식도록 방치하면서 상기 용액이 흐려지는 온도를 측정하여 본다. 그 결과를 X축에 phenol의 % Y축에는 흐려지는 상분리 온도로 하여 도시하여 본다.

 

2. 2성분계의 임계농도 측정

1) 상기 바이알 용액을 다시 75℃ 정도의 수조에 10분간 흔들어주면서 방치하여 하나의 상(phase)의 맑은 용액이 되도록 한다.

 

2) 온도 50℃부근에서 온도가 매우 일정하게 유지되는 다른 수조를 장만하고 그 안에다가 상기 바이알을 넣어 상분리가 일어나도록 한다.

 

3) 대략 15분～20분 지나면 뿌연 상태가 사라지면서 층분리가 서서히 일어나고, 더 이상 층 분리가 일어나지 않음을 확인한 뒤에, 아래층과 위층의 높이를 자로 정확히 측정한다.

 

4) 전체 액체의 높이 가운데 위층의 높이가 차지하는 %를 계산한 뒤 X축으로 phenol의 무게% Y축으로 상분리 위층의 높이 %를 도시한다.

 

5) 이때 얻어지는 식이 직선 또는 곡선이 얻어질 것이며, 내삽법에 의하여 높이가 50%가 되는 phenol의 조성 %를 얻어낸다. 즉, 위 아래 높이 즉 부피의 비가 50:50이 되는 조성이 바로 임계조성(Critical composition) 또는 임계용액농도(Critical solution concentration) 으로 정의된다.

 

페놀과 물에 대한 2성분계의 상그림

 

3. 2성분계의 임계용액온도(Critical Solution Temperature) 측정

1) 상기 실험에서 임계조성의 phenol-water 용액을 다시 만든 뒤 상분리 온도를 실험 I에서 한 방법 대로 높은 온도에서 가능하면 매우 서서히 낮추어 이 임계조성의 용액이 뿌여지는(turbid liquid 혹은 milky 하여지는) 온도를 얻어 낸다. 이 온도가 phenol-water 2성분계의 임계용액온도가 된다.

 

2) 고분자-용매계의 2성분계에서의 임계농도 및 상그림은 어떠한 모양일까 토의하여 본다.

 

 

 

[물리화학실험]2성분계의 상(Phase) 그림 레포트