화학공학실험 | 용매추출 - 분배계수의 결정

 

 

 

TIP

 

 

1. 서로 섞이지 않는 물과 유기 용매(1-butanol)를 CH₃COOH를 용질로 한 용액에서 CH₃COOH의 각 용액에서의 용해된 몰수를 구하여, 이 두 용매 사이에서 일어나는 평형에서의 용질의 분배비(분배계수)를 구한다.
2. 유기 물질의 용매에 의한 추출의 개념을 이해하고 물 층에 녹아 있는 아세트산이 1-부탄올 층으로 얼마나 옮겨가는가를 분배 계수를 측정하여 알아본다.

 

 

 

Distribution coefficient(분배 계수)

서로 섞이지 않는 두 액체 A와 B가 두 액체 층을 이루고 있을 때, 두 액체에 다 녹을 수 있는 어떤 용질 M을 넣어 주면 이 용질은 두 액체 층에 분배되어 평형을 이루게 된다. 이러한 평형상태에서는 액체 A로부터 액체 B로 이동하는 용질 분자수와 액체 B로부터 액체 A로 이동하는 분자의 수가 서로 같으며 따라서 평형을 다음과 같이 나타낼 수 있다.

 

M(A) ↔ M(B)

 

여기서 M(A)와 M(B)는 각각 용매 A와 용매 B에 용해되어 있는 용질분자를 나타낸다. M(A)와 M(B)의 농도를 각각 C_a와C_b로 나타내면 다음과 같은 관계가 성립할 것이다.

 

K= C_a/C_b

 

이와 같이 정의되는 평형상수 K를 분배계수(Distribution Coefficient)라고 하는데, 주어진 온도에서는 용질의 양에 관계없이 일정한 값을 나타낸다. 즉 두 액체 층에 용해되어 있는 용질의 농도비는 일정하다는 것을 알 수 있게 된다. 일반적으로 물과 유기 용매 사이의 분배계수의 크기는 용매의 종류, 용질의 종류, 온도에 따라서 변화한다.

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실험 방법

1. 실험 과정

1) 분별 깔때기에 0.5N CH₃COOH 20㎖와 1-butanol 20㎖를 넣고 마개를 막아 흔들어 섞는다. (너무 세게 흔들지 말고 어느 정도 섞여야 하므로 적당히 흔들어 섞어준다. 세게 흔들 경우 에멀젼이 생겨 두 액체층의 분리가 많이 안 될 수도 있다. 너무 살살 흔들면 용액이 고르게 섞이지 않을 수 있으므로 적당한 강도로 섞어준다. 흔들어 섞는 과정 중간에 콕을 열어서 내부 압력을 제거하였다.)

 

2) 마개를 열고 평형상태에 도달하도록 방치한 후 두 층으로 분리되게 한다.(평형상태에 도달했는가를 구체적으로 확인할 수는 없으나 flow chart에 나온 5분 정도 시간여유를 가지고 평형에 도달한 것으로 생각하고 실험을 수행하였다.)

 

 

3) 아래층 용액 10㎖와 H₂O 10㎖, phenolphthalein 2～3방울을 삼각 플라스크에 넣고, 0.5N NaOH 표준용액으로 적정한다. (아래층과 위층 용액에 대해 따로 나누어서 용액을 추출하므로 플라스크의 흔들림이나 움직임을 최소화 하고 아래층 용액을 내릴 때 위층 용액도 같이 따라 내려오지 않도록 하여 두 용액이 최대한 섞이지 않도록 조심히 실험을 수행하여야 한다.)

 

4) 위층 용액 10㎖와 phenolphthalein 2～3방울을 삼각 플라스크에 넣고, 0.5N NaOH 표준용액으로 적정한다. (적정시에는 색의 변화를 민감하게 관찰하여야 하는데 실험 전 미리 어느 정도의 부피에 적정이 되는가 계산을 통해 예상해서 적정점 부근에 다다른 것으로 생각되면 한 방울씩 조심스럽게 NaOH용액을 다룬다. 색의 변화가 애매하게 옅은 색이 나온 적이 있었는데 이 때 뷰렛의 끝은 살살 치면서 한방울만 내려오도록 하였다.)

 

5) 1.0N 아세트산으로 위의 실험을 반복한다.

 

 

 

[화학공학실험]용매추출 - 분배계수의 결정 레포트