고체와 액체를 분리하는 것은 응용화학 전반에서 가장 흔한 조작 중 하나입니다. 수처리장은 원수에서 침전물이 가라앉도록 한 후 남은 물을 여과하며, 광업에서는 귀금속을 회수하기 위해 엄청난 양의 액체를 따라내고(세사) 여과합니다. 그리고 제약 산업에서는 거의 모든 합성이 그것을 생성한 용액으로부터 깨끗하게 분리되어야 하는 침전물로 끝납니다. 이 작업을 위해 어디에서나 사용되는 두 가지 기법이 바로 이 실험실에서 다루는 경사 분리(따라내기)와 여과입니다.
둘 다 불균일 혼합물의 상(phase) 간의 물리적 차이를 이용하므로, 어느 것도 어떤 것의 화학적 정체성을 변화시키지 않는다. 경사분리법(데칸테이션)은 밀도를 이용한다. 액체보다 밀도가 더 큰 현탁된 고체는 중력에 의해 가라앉고, 바닥에 모이면 그 위의 액체인 상등액을 간단히 따라낼 수 있다. 여과법은 입자 크기를 이용한다. 액체 분자는 종이 필터의 미세한 구멍을 자유롭게 통과하는 반면, 그보다 훨씬 큰 고체 입자는 차단된다.
이 실험에서 여러분은 침전된 코발트(II) 수산화물과 물의 혼합물을 두 단계, 즉 먼저 가라앉은 혼합물을 따라내고(경사분리), 그 다음 남은 앙금을 여과하는 방식으로 분리하면서, 왜 두 가지 방법이 단독으로 사용되지 않고 순차적으로 사용되는지 직접 확인하게 될 것입니다.
교육 목표
실험실 환경 익숙해지기
- 분리 실험실의 레이아웃과 장비를 식별하세요. 여기에는 비커, 깔때기, 거름종이, 250 mL 삼각 플라스크가 포함됩니다.
액체와 현탁액의 세심한 조작
- 침전된 고형물이 딸려 나오지 않도록 비커를 너무 많이 기울이지 말고, 상등액을 부드럽고 지속적으로 따라내십시오.
- 거름종이가 넘치거나 거름종이 바깥으로 새어 나가지 않도록 혼합물을 거름종이 위에 천천히 옮겨 부으세요.
이별의 어휘 구사력
- 이물질 혼합물(heterogeneous mixture), 침전물(deposit), 상등액(supernatant), 여과액(filtrate), 그리고 잔류물(residue).
각 기술의 이면에 있는 원리 이해하기
- 경사분리법(데칸테이션)은 밀도 차이와 침전 원리로 설명됩니다. 밀도가 높은 고체 물질은 중력에 의해 용기 바닥으로 가라앉고(침전), 밀도가 낮은 액체는 위에 남게 되어 두 물질을 분리할 수 있습니다. 반면에 여과법(필트레이션)은 분자 크기와 입자 크기의 차이를 이용합니다. 거름종이의 미세한 구멍보다 큰 고체 입자는 통과하지 못해 걸러지고, 용매 분자처럼 훨씬 작은 입자나 분자들은 구멍을 통과하게 됩니다.
- 녹여진 물질에 두 가지 기법 모두 작동하지 않는 이유를 설명하고, 작동할 수 있는 기법의 종류를 말하세요.
시퀀싱 분리 방법
- 왜 먼저 침전 과정을 거치고 그 다음에 여과 과정을 거치는지 그 이유를 설명하고, 각 방법을 단독으로 적용했을 경우 어떤 물질이 남아 있었을지 평가하시오.
프로토콜
본 실험의 목적은 수산화코발트(II)와 물의 혼합물에서 각 성분을 분리하는 것이다.
제1부: 따르기
이 방법을 통해 코발트(II) 수산화물(Co(OH)2물에 녹지 않습니다.
- 수산화 코발트(II) 침전물이 있는 수용액이 5분 이상 정치되어 있습니다 (비커 Co(OH)2).
- 혼합물의 액체 부분(물)을 두 번째 비커(비커 2)에 조심스럽게 붓습니다.
비커 2에 고체 입자가 들어가지 않도록 비커를 너무 많이 기울이지 마십시오.
- 비커를 남겨두세요 Co(OH)2 코발트 수산화물을 받침대 위에서 말립니다. 남은 물은 증발할 수 있습니다.
이것이 첫 번째 분리 방법인 침강입니다.
파트 2: 여과
- 비커에 Co(OH) 채우기2 증류수를 사용하여 수산화코발트(II) 침전물을 100mL까지 포함하는.
- 깔때기를 250mL 삼각 플라스크 상단에 부착하십시오.
- 필터를 깔때기에 넣으세요.
- 비커에 담긴 혼합액을 천천히 붓습니다 Co(OH)2 필터의 두꺼운 부분으로.
- 혼합물을 여과기를 통과시키시오.
- 얻어진 액체를 여과액이라고 합니다
- 필터에 남아있는 고체 부분은 잔여물입니다
- 이것은 두 번째 분리 방법(여과)입니다
예상 결과
예상 결과. 이 혼합물은 두 가지 성분으로 깔끔하게 분리된다. 하나는 물로, 먼저 상층액으로 회수된 후 여과액으로 회수되며, 다른 하나는 고체 코발트(II) 수산화물로, 여과지 위의 분홍색 잔류물로 회수된다.
| 기술 | 이용된 물리적 성질 | 유의해야 할 사항 | 제한 사항 |
|---|---|---|---|
| 침전 | 밀도 — 고체는 액체 아래로 가라앉는다 | 물의 대부분은 맑게 흘러내리고, 분홍색 침전물만 남는다 | 일부 미세 입자는 비커 2로 옮겨지고, 일부 물은 고체와 함께 남는다 |
| 여과 | 입자 크기 — 고체는 필터의 기공을 통과할 수 없다 | 에를렌마이어 플라스크에는 맑은 여과액이 모이고, 분홍색 침전물은 여과지에 남는다 | 대량 처리 시 속도가 느리며, 잔여물에는 건조될 때까지 약간의 액체가 남아 있다 |
혼합물이 왜 분리될 수 있는가. 코발트(II) 수산화물, Co(OH)22, 물에 사실상 녹지 않으며 — 평형 용해도는 리터당 1밀리그램 정도이다. 따라서 이 물질의 거의 전부가 물에 용해되지 않고, 물 속에 부유하는 개별 고체 입자 형태로 남아 있게 되며, 이는 이질적인 혼합물을 이룹니다. 두 상이 각각의 정체성을 유지하기 때문에, 밀도나 입자 크기 같은 물리적 차이를 이용하여 이를 분리할 수 있습니다. 이 과정에서 어떠한 화학 반응도 일어나지 않으며, 어느 단계에서도 새로운 물질이 생성되지 않습니다.
디캔팅이 효과가 있는 이유와, 왜 완벽하지 않은지. 고체 입자는 물보다 밀도가 높기 때문에 중력의 작용으로 비커 바닥으로 가라앉게 되며, 실험 절차에 명시된 5분간의 대기 시간은 이 과정이 이루어지도록 하기 위한 것입니다. 그런 다음 그 위에 있는 투명한 액체를 따라낼 수 있습니다. 하지만 침전은 결코 완벽하지 않습니다. 입자가 작아질수록 무게에 비해 받는 항력이 커지기 때문에, 가장 미세한 입자들은 매우 느리게 가라앉습니다. 비커를 너무 많이 기울이면 가라앉은 입자들이 다시 흩어지기도 합니다. 따라서 침전법은 상간 분리가 완벽하지는 않지만, 비용과 시간을 절약하며 액체의 대부분을 신속하게 제거할 수 있는 방법입니다.
여과가 일을 마무리하는 이유. 종이 필터는 기공의 지름이 몇 마이크로미터에 불과한 셀룰로오스 섬유 매트입니다. 수천 배 더 작은 물 분자는 아무런 방해 없이 통과하는 반면, 고체 입자는 걸러집니다. 통과하는 액체를 여과액; 종이 위에 놓인 고체는 바로 잔류물. 여과는 침전법보다 훨씬 더 명확하게 분리해 주지만, 속도가 더 느립니다. 그래서 이 실험 절차에서는 먼저 침전시킨 다음, 농축된 잔여물만 여과합니다.
학년별 과제 요약
9~10학년
- 집중 혼합물은 물리적 성질을 이용하여 분리할 수 있으며, 이에 관한 용어들을 살펴봅니다.
- 활동 프로토콜에 따라 경사분리(데칸테이션)와 여과를 수행하고; 나타나는 순서대로 침전물, 상층액, 여과액, 잔류물의 이름을 식별하며; 회수된 각 분획이 혼합물의 어떤 구성 성분을 나타내는지 명시하고; 각 방법에 의해 남겨진 것이 무엇인지 설명하시오.
11학년
- 집중 이러한 기법의 기초가 되는 물리적 원리, 즉 밀도, 침강 및 입자 크기.
- 활동 혼합물을 상층액을 따내기 전에 왜 잠시 두어야 하는지, 그리고 미세 입자가 왜 천천히 침전되는지 설명하시오. 기공 크기와 입자 크기의 관계를 바탕으로 여과 과정을 설명하시오. 두 과정의 순서를 정당화하시오. 상층액을 따내지 않고 혼합물을 바로 여과하면 어떤 일이 일어날지 예측하시오.
12학년 / 대학교 수준
- 집중 분리 방법의 선정 및 평가.
- 활동 이 혼합물을 분류하고, Co(OH)의 불용성 특성을 근거로 물리적 분리법이 적용되는 이유를 설명하시오.2; 회수된 각 분획의 순도를 평가하고 손실이 발생하는 지점을 파악하라; 회수된 고체를 건조하고 질량 균형을 확인하는 방법을 제안하라; 해당 고체가 용해성일 경우 어떤 분리 기술이 필요한지, 그리고 그 이유를 밝히라.
실험실 필수품
악기
- 비커 (100ml)
- Erlenmeyer (250ml)
- 깔때기
- 깔때기 필터
제품
- 수산화 코발트(II)
- 증류수