화공기초실험 | 3성분계의 상평형도 결정

 

 

 

TIP

 

 

물, 톨루엔, 아세톤으로 이루어진 3성분 액상계의 상평형도(phasediagram)를 결정하고, 이를 정삼각형 좌표계에 나타낸다.

 

 

 

액체-액체 혼합계

그림 3에 벤젠-초산-물 3성분계를 예를 들었다. 벤젠-초산, 초산-물은 전 농도 구간에서 서로 혼합되나 벤젠-물은 서로 혼합되지 않는다. 벤젠-물 혼합물은 한 층은 순수한 물, 다른 한층은 순수한 벤젠으로 나뉜다. 이 혼합물에 초산을 조금씩 넣어주면, 초산은 두 층사이에 분배되고, 아울러 소량의 물이 벤젠층에. 소량의 벤젠이 물층에 각각 용해된다. 이 두 층의 조성은 그림3의 tie line의 끝 점 a와 b로 나타내어진다.

 

이를 혼합계의 전체조성이 G점으로 나타내어지는 경우 처음에 만들어진 벤젠- 물 혼합물 조성은 A점과 G점을 연결한 선이 BW변과 만나는 점H에 해당될 것이다. 그리고 평형상태에 있는 두 층의 상대적인 양은 지렛대 원리에 의해

 

 

의 비율로 나타내어진다.

 

 

초산을 더 넣어주면, 두 층의 조성은 각각 c와 d점으로 변한다. 두 층의 조성은 점점 서로 유사해지므로 tie line의 길이는 점점 짧아진다. 초산을 계속 넣어주면 한 층은 점점 줄어들고, 다른층은 점점 많아진다. 계속 넣어주면 나중에는 한 층이 완전히 없어져서 한 상으로 된다.

 

두 상에서 한 상으로 변하게 되는 경계조성을 나타내는 B,a,c,p,d,b,W를 이으면 용해도 곡선(solubility curve)이 얻어진다. 이 곡선 안쪽에는 두 액체층, 바깥쪽에는 단일 액체층이 형성되며, 용해도 곡선의 모양과 크기는 온도에 따라 달라진다. 두 층의 조성이 같게되는 점을 주름점(plait point) 혹은 임계점(critical point)이라 부른다. 초산을 첨가하여 전체 조성이 임계점과 B점사이를 지나게 되면, 물 층이 없어지며, 임계점과 W점 사이를 지나게 되면 벤젠층이 없어지게 된다.

 

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 실온에서 물-톨루엔-아세톤 3성분계의 상평형도를 결정한다.

2) 125㎖삼각플라스크에 물1㎖와 톨루엔 9㎖를 넣으면 두 층으로 나누어지며, 물 층은 아래쪽에 있게 된다.

3) 삼각 플라스크를 마개로 막고 세게 흔들어 주면, 뿌옇게 흐리게 되고 ,세원두면 다시 두 층으로 나누이는 것을 확인한다.

4) 세게 흔들어 줄 때 보이는 뿌옇게 흐리는 현상이 사라질 때까지 뷰렛에 든 아세톤을 넣어준다. 가한 아세톤의 부피를 정확히 측정하고, 또 흔들어 준 후 세워두어 두 층으로 분리되는지를 확인하여야 한다. 어느 한 층의 부피가 아주 적어지면, 아세톤을 조금씩 가하여 뿌옇게 흐리게 되는 현상이 없어지는 조성을 지나치지 않도록 유의하여야 한다.

5) 만일 아세톤의 첨가량이 많아 적정의 종말점을 지나쳤으면 소량의 물이나 톨루엔을 가하여 두 층으로 분리되는 것을 확인한 후 다시 아세톤으로 적정한다. 첨가된 물이나 톨루엔의 양과 그때가지 가해진 아세톤의 양을 알아야 상평형도를 그릴 수 있다.

6) 적정의 종말점에 있는 용액에 1㎖의 물을 가하고 흔들어 준 후 세워두면, 다시 두 층으로 분리된다. 이를 아세톤으로 다시 적정한다. 이 과정을 10회 반복하여 실험한다. 가해진 물의 양과 아세톤의 양을 정확히 읽고 기록한다.

7) 위 1-5)의 실험과정이 끝나면 다음 혼합 용액(물9㎖와 톨루엔1㎖를 혼합한 용액)에서 1-5)의 과정을 반복하여 실험한다. 이 5)의 과정에서는 1㎖의 물대신 1㎖의 톨루엔을 가하면서 아세톤으로 적정한다.

 

 

 

[화공기초실험] 3성분계의 상평형도 결정 레포트