물리화학실험 | 활성탄의 흡착도 - 아세트산의 흡착

 

 

 

TIP

 

 

1. 일정한 온도에서 용질농도의 함수로 수용액과 활성탄 표면 사이에서의 유기산의 평형분배를 결정하기 위한 것이다.
2. 식초산수용액에서 초산이 활성탄에 흡착되어 초산수용액과 평형에 있을 때의 용액의 농도와 흡착된 초산의 양 사이에 평형관계가 성립하는 것을 확인한다.
3. 수용액 상의 아세트산이 활성탄에 흡착될 때의 흡착 등온식을 결정한다.

 

 

 

흡착(adsorption)

기체-액체, 기체-고체, 액체-고체, 액체-액체등의 상 계면에서 기상 또는 액상 중의 물질이 상의 내부와 다른 농도에서 평형에 달하는 현상을 흡착이라 부른다. 계면에서의 농도가 증대하였으면 정흡착, 감소하였으면 부흡착이라 한다.

 

흡착은 평형상태로 고려할 수 있으므로 계의 자유에너지를 최소로 하는 계면의 상태를 열역학적으로 구하여 Gibbs는 일반식을 구하였다. Gibbs의 흡착식은 계면자유에너지의 농도에 의한 변화와 흡착량의 관계로서 나타내며, 흡착은 계면장력과 밀접한 관계가 있다. 용액에서 고체에 의한 흡착평형을 고찰하는 경우에는 계면장력의 변화를 측정할 수 없으므로 계면에 있어서 흡착량과 액상 내부농도의 고체계에 의해 흡착을 나타낸다.

 

여기서 흡착제로 이용되는 활성탄은 적당한 처리를 하여 흡착성을 크게한 무정형탄소의 입자로서 표면에 여러 가지 크기의 구멍을 가지고 있으며 내부의 비표면적이 대단히 크다. 표면의 성질이 불균질이면 공기중의 산소 등 여러 가지 물질을 이미 흡착하고 있는 것으로 생각하지 않으면 안된다. 유기물의 정제, 물의순화, 가스의 흡착용 등 많은 실용적인 용도를 가지고 있지만, 흡착의 기구는 복잡하여 이론적으로 해석하는 것은 곤란하다.

 

이와 같이 복잡한 표면을 가진 고체에 용액의 흡착에 관해서는 흡착농도와 용액의 농도사이에는 다음의 Freundlich의 실험식이 성립한다.

 

log X = log a + 1/n log C

 

여기서 X는 흡착된 물질의 단위 질량당의 mol수, C는 평형상태에 있는 용액의 농도이고, a와 n은 상수이다. 1/n은 흡착지수라 부르며 유기물, 비전해질이나 약전해질의 경우는 0.3～0.5, 색소나 강전해질에서는 0.05～0.3의 값을 가진다. 농도가 매우 낮거나 높으면 Freundlich의 식으로 나타내기 어렵다(농도가 낮은 경우는 Henry형 흡착등온식이 성립하며 높은 경우는 포화흡착이 나타난다.) 그러나 고체표면의 흡착에 있어서도 표면이 균질인 경우에는 Langmuir의 흡착등온식, 다층흡착에 있어서는 BET의 흡착등온식이 잘 적용된다.

 

흡착은 용액 내에 보다 고체의 표면에 흡착된 분자의 농도가 더 크다는 사실을 설명하는 용어이며, 흡착제를 사용하여 목적 성분을 분리하는 조작의 하나이다. 흡착에는 물리적 흡착과 화학적 흡착이 있다. 물리적 흡착은 van der Waals 힘의 작용으로 일어나는 가역 현상이나, 화학적 흡착은 흡착제와 흡착질 사이의 화학작용에 의한 것으로 촉매 작용 등이 고려된다.

 

보통 우리는 작은 입자 크기의 흡착제를 사용하며 종종 단위 질량당 표면적을 증가시키는 구멍이나 흠이 있는 흡착제를 사용하기도 한다. 그러한 작고 다공성의 입자는 10-1000㎡g^-1 정도의 specific area를 가진다. 실제로 흡착제로써 널리 쓰이는 것에는 활성탄, 실리카겔(SiO₂), Alumina(Al₂O₃), Zeolite 등이 있다.

 

 

활성탄소

활성탄은 야자각, 목재류, 갈탄, 무연탄, 유연탄등의 탄소질을 원료로 하여 활성화 과정을 통해 분자 크기 정도의 미세세공을 발달시킨 흡착제로서 1g당 1000㎡ 이상의 큰 내부 표면적을 갖는다.원래 활성화란 복사(輻射)의 흡수나 고속입자선의 충격 등으로 인하여 원자나 분자 또는 이온 등이 고에너지 상태로 되어 화학반응이나 결정격자(結晶格子)를 일으키기 쉬운 상태로 변하는 것을 말한다. 또 촉매작용으로 그 표면상태의 변화나 다른 물질의 첨가로 그 기능이 훨씬 높아지는 것을 뜻하는 것이므로, 활성탄도 이와 같은 활성화제를 첨가하여 탄소질의 기능이 향상된 것을 뜻한다

 

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 0.1N HCl로 0.1N NaOH의 정확한 농도를 계산한다.

 

2) 0.1N NaOH의 정확한 농도가 계산이 되면 아세트산 용액 5.0㎖를 취해 농도를 측정한다.

 

3) 측정한 아세트 산을(0.5N) 이용해 1/2씩 희석하여 본래의 0.5N부터 0.25N, 0.12N, 0.076N, 0.051N, 0.025N까지 범위의 여섯 가지 농도를 100㎖씩 만든다.

 

4) 활성탄을 약 1g씩 ㎎까지 정확하게 재어서 각 산 용액에 넣는다.

 

5) 플라스크 뚜껑을 닫고 가끔 저어주면서 평형에 도달하도록 한다. 서너 시간 또는 하룻밤 동안을 방치시키는 것이 더욱 좋지만 두 시간이면 충분하다.

 

6) 평형에 도달한 후 각 용액의 일부분을 꺼내 표준 수산화나트륨으로 적정한다. 적정할 용액의 양은 아세트산 용질의 농도에 따라 변한다. 0.5N산에서는 5㎖을 취하는 것이 가장 좋고 0.25N과 10㎖를 취하고 0.12N은 25㎖, 0.076N, 0.051N, 0.025N은 50㎖로 취한다.

 

7) 용액을 여과해서 떠 있는 고체를 제거시킬 필요가 있다. 여과할 때는 처음 여과한 용액의 일부분은 버려 거름종이 위의 산의 손실을 막도록 조심스럽게 다루어야한다.

 

8) 모든 용액에 대하여 최소한 두 번은 적정해야하고 할 수 있으면 더 낮은 온도, 예를 들어 실온보다 15℃ 낮은 온도에서 한번 더 흡착 실험을 하여 흡착에 대한 온도의 영향을 알아보면 좋다.

 

 

 

[물리화학실험]활성탄의 아세트산 흡착 레포트