물리화학실험 | 용액으로부터 용질의 흡착

 

 

 

흡착의 종류

① 물리흡착

물리흡착은 dipole-dipole interaction, induced dipole과 같은 2차 인력에 의한 흡착이다. 이 때문에 기체 분자의 응축과 유사하며 단분자층 형성 시 몰 당 평균 흡착열은 액화열의 2배보다 작아 (8～20 kJ/㏖) 크지 않다는 특징이 있다. 물리흡착은 활성화 에너지를 필요로 하지 않으므로 표면에 충돌과 동시에 흡착이 일어나게 된다.

 

더불어 물리흡착은 완전 가역, 즉 압력이나 온도변화에도 가역적이다. 또한 그에 작용하는 힘 때문에 흡착질이 선택적이라는 특징을 가지고 있다. 물리 흡착된 분자는 표면의 영향으로 변형될 수는 있지만 그 본질은 그대로 유지되며 이 힘에 대하여 흡착된 흡착 분자들은 서로 응집하게 되고 다중층 흡착을 하게 될 가능성이 높아진다. 따라서 화학반응보다 저온에서 잘 일어나며 아주 빠른 흡착 속도를 보여준다.

 

② 화학흡착

화학 흡착은 공유결합이나 이온결합과 같은 화학적 결합에 의한 흡착으로, 기공 크기 분포 등의 측정에 사용된다. 강한 화학적 결합을 하므로 표면과 가장 가까운 흡착 물질 원자 사이 거리도 물리 흡착에서보다 짧다. 더불어 화학흡착은 물리흡착과 다르게 활성화 에너지를 필요로 하기 때문에, 어느 정도의 온도이상에서만 흡착이 진행된다, 하지만 활성화 에너지가 무시될 정도로 흡착이 빨리 진행되는 경우도 종종 찾아 볼 수 있다. 또한 화학흡착은 물리흡착과 다르게 가역적일 수도, 아닐 수도 있다.

 

화학흡착은 흡착이 진행될 때 굉장히 선택적이고 표면의 본질에 크게 의존한다는 점을 특징으로 가지고 있다. 그로 인해 흡착열이 표면과의 결합력의 척도로 나타나게 되는데 화학흡착열은 화학반응열과 같은 정도로 (40～803 kJ/㏖)이다.

 

③ 물리흡착과 화학흡착의 구분

정량적으로 흡착 등온선에서 실험 자료를 비교하면 두 흡착을 구별할 수 있다, 예로써 수치들이 BET 등온선과 일치하면 물리흡착인 가능성이 높고, Langmuir 등온선과 일치하면 화학흡착일 가능성이 굉장히 높다. 물리 흡착은 응축과 유사한 현상이므로 온도뿐만 아닌 압력이 액화조건에 가까운 경우 흡착이 현저하게 일어난다. 화학흡착은 액화 온도보다 훨씬 높은 온도와 낮은 압력에서도 일어나는 경우가 많다. 물리흡착과 화학흡착의 구분을 다음 표에 정리하였다.

 

구분	물리 흡착	화학 흡착
결합	약한 Van der Waal 힘, 쌍극자 힘	전자 배열에 의한 이온, 공유 결합
흡착열	응축열과 같은 정도	반응열과 같은 정도
흡착 속도	활성화 에너지가 없고 빠름	활성화 에너지가 필요, 느리다.
흡착질	비 선택적이며 다중 흡착	선택성을 띄며 단일 흡착을 함
가역성	항상 가역적	가역이나 비가역이 됨
온도 의존성	온도가 높을수록 흡착량이 감소	온도 상승에 따라 흡착량이 증가

 

 

흡착등온선

흡착제의 무게 당 흡착된 물질의 양, 즉 흡착량은 고체의 비표면적 용액에서의 평형상태에 있는 용질의 농도 (가스상일 경우에는 압력), 온도, 내포되어 있는 분자들의 성질 등에 의존을 하게 된다. 일정한 온도에서 측정하면 흡착제 단위 질량당 흡착질의 질량 N에 대한 평형용질 농도 C의 도표를 얻을 수 있다. 이렇게 해서 얻은 식을 흡착 등온식이라고 부른다. 본 실험에서는 흡착제의 g당 혹은 단위 면적당의 피흡착질의 몰수를 측정하는 실험 방법을 선택해서 실험을 진행한다. 이 결과를 토대로 흡착량과 피흡착질의 농도의 관계를 알 수 있다. 앞에서도 언급했듯 온도에 따라 흡착제에 대한 분율은 변하므로 항온에 관한 그래프가 나올 것이다.

728x90

 

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 초산(0.4N)과 수산화나트륨(0.1N) 용액을 각각 1L씩 일반적인 방법으로 준비한다.

 

2) 6개의 250㎖ 삼각 플라스크를 세척한 후 건조 시킨다. 삼각 플라스크는 유리마개가 있거나 고무마개를 하여야 한다. 플라스크에 번호를 적당히 기입한다.

 

3) 1.0g 정도의 활성화된 숯을 각 플라스크에 넣는다. 그리고 다음 표에 따라서 플라스크에 각 용액들을 준비한다.

 

플라스크 번호	1	2	3	4	5	6
0.4N 초산용액의 부피 (㎖)	100	75	50	25	15	10
증류수 부피(㎖)	0	25	50	75	85	90
총 부피(㎖)	100	100	100	100	100	100

 

4) 플라스크에 단단히 뚜껑을 하고 30분 동안 주기적으로 흔들어 준다. 흔들어 준 후에는 항온조에서 25℃로 보관한다. 평형에 도달시키기 위해서는 보관시간이 적어도 1시간 이상 필요하며 서너 시간이면 보다 좋다.

 

5) 고운 거름종이를 사용하여 모든 시료를 거른다. 거름종이에 의해서 산이 흡착되어 실험결과에 오차를 발생시키는 것을 예방하기 위하여, 처음에 나오는 여과액 10㎖를 버린다.

 

6) 시료 번호가 1번에서 3번까지의 여과액은 10㎖ 씩, 시료번호가 4번에서 6번까지의 여과액은 25㎖ 씩 피펫을 사용하여 삼각플라스크에 채취한다. 각 시료는 페놀프탈레인 지시약을 사용하여 0.1N 수산화나트륨 용액으로 적정을 한다.

 

7) 실험에 사용한 원래 초산용액의 정확한 농도를 결정할 수 있도록, 표준 수산화나트륨용액(0.1N)을 사용하여 초산(0.4N) 원액 10㎖를 적정한다.

 

 

 

[물리화학실험]용액으로부터 용질의 흡착 레포트