증류는 화학계의 핵심적인 분리 기술입니다. 정유 공장에서는 원유를 연료로 나누기 위해 이를 거대 규모로 사용하고, 담수화 공장에서는 바닷물에서 담수를 얻기 위해 사용하며, 모든 전통의 증류주 제조업자들은 수 세기 동안 알코올을 농축하기 위해 이를 사용해 왔습니다. 액체 혼합물의 두 성분이 기화하는 성질에서 차이를 보이는 곳이라면 어디에서나, 증류는 그것들을 분리해낼 수 있습니다.
원리는 끓는점의 차이입니다. 비휘발성 고체의 용액을 가열하면 용매만 끓습니다. 그 분자들은 증기로 탈출하는 한편, 고유의 끓는점이 수백 도 더 높은 용해된 고체는 제자리에 남습니다. 이 증기를 빼내어 냉각시키면 다시 액체로 응축되며, 이때 플라스크에 남겨진 용질이 없는 상태가 됩니다. 가열은 액체에서 기체로의 상 변화를 유도하고, 냉각은 이를 되돌리며, 두 과정 모두 수행할 수 없는 용질은 용매로부터 분리됩니다.
이 실험에서 여러분은 황산구리 용액을 두 가지 구성 성분으로 분리하게 됩니다. 물은 끓여져서 얼음물 수조로 냉각된 시험관에서 응축되어 증류수로 회수되고, 황산구리는 고체 잔류물로 삼각 플라스크에 남게 됩니다. 여러분은 직접 전체 장비를 조립하고, 가열을 조절하며, 분리의 두 과정이 동시에 일어나는 것을 관찰하게 됩니다.
교육 목표
실험실 환경 익숙해지기
- 마그네틱 스터어가 있는 핫플레이트, 클램프가 달린 실험대, 메스실린더, 온도계, 스톱워치, 얼음물을 포함하여 증류 실험실의 배치와 장비를 확인합니다.
증류 장치 조립
- 마개로 막은 삼각 플라스크, 유리 엘보우, 커넥터, 그리고 냉각된 포집관으로 이루어진 전체 증기 통로를 설치하고 각 부품의 역할을 설명하시오.
- 수집 튜브가 얼음 중탕에 잠기고 커넥터가 플라스크와 연결되도록 규정된 높이에 클램프를 고정하십시오.
용액의 제어 가열
- 핫플레이트 목표 온도를 설정하고 용액이 끓점에 가까워짐에 따라 온도계와 결과 표를 모니터링하십시오.
- 온도를 물의 끓는점 5 °C 이내로 유지하고, 과열이 용질을 분해할 위험이 있는 이유를 설명하세요.
- 자석 교반기를 사용하여 용액이 섞이고 끓음이 고르게 유지되도록 하세요.
증류 용어 마스터리
- 실험에서 관찰된 각 현상에 대해 용매, 용질, 증기, 응축, 유출액, 잔류물이라는 용어를 올바르게 적용하십시오.
분리 물리학 이해하기
- 물과 이온성 고체의 휘발성 차이에 따른 분리 설명.
- 관련된 두 가지 상변화와 장치 내에서 각각 어디에서 일어나는지 설명하시오.
프로토콜
- 70mL 눈금 실린더를 사용하여 1M 황산구리(CuSO₄) 용액 약 60mL를 측정하십시오.4) 해결책.
- 측정된 액체를 250 mL 삼각 플라스크에 붓습니다.
- Erlenmeyer 플라스크에 자석 교반 막대를 넣으십시오.
- 이구구멍 고무 마개와 유리 엘보를 사용하여 삼각 플라스크를 막으시오.
- Erlenmeyer 플라스크를 핫플레이트 위에 놓으세요.
- 시험관 깔때기에 꽂힌 유리 팔꿈치 부분을 통해 온도계를 삽입하십시오.
- 얼음이 담긴 500mL 비커를 찬 수돗물로 반쯤 채우십시오.
- 핫 플레이트 오른쪽에 비커를 놓으세요.
- 얼음 비커 위에 대략 15cm 높이(아래쪽 위치)에 보편적인 클램프를 스탠드에 부착하십시오.
- 빈 시험관을 집게에 부착하여 시험관이 얼음이 담긴 비커 안에 위치하도록 하십시오.
- 다른 범용 클램프를 지지대에 약 30cm 높이 (상단 위치)로 부착하십시오.
- 보라색 커넥터를 위쪽 클램프에 연결하십시오. 이것은 시험관과 삼각 플라스크를 연결할 수 있게 해줍니다.
- 자석 교반기를 작동시키세요.
- 스톱워치를 시작하세요.
- 핫플레이트를 105°C로 설정하세요.
- 온도계와 결과 표 모두에서 물의 끓는점(100°C)에 도달했는지 확인하십시오.
이 실험에서는 물의 끓는 속도가 2배로 빨라진다는 점에 유의하십시오.
- 물의 끓는점을 5도 이상 초과하지 않으면서 가열하고 용질이 타지 않도록 하십시오.
100°C에 도달한 후, 끓는 반응이 시작되기 전에 45초에서 60초 사이의 지연이 예상됩니다.
- 용매의 거의 전부가 증발되고 파란색 고체 잔류물이 보이면 교반기를 끄고 가열판의 목표 온도를 15°C로 낮춥니다.
- 시험관 안의 내용물은 용매이며 이제 증류액이라고 불립니다.
- Erlenmeyer 플라스크의 내용물은 용질입니다.
예상 결과
예상 결과. 용액은 삼각 플라스크의 고체 잔류물과 수집관의 투명하고 무색인 증류액으로 분리됩니다.
| 수량 | 기대값 |
|---|---|
| 증류된 용액 | 1 M 황산구리(II) 60 mL4 |
| 플라스크 내의 황산구리 양 | 0.060 mol |
| 오수화물로 회수되는 잔류물, CuSO4·5시간2O | 15.0 g (파란색) |
| 무수염 형태로 회수된 잔류물, CuSO4 | 9.6 g (흰색에서 회녹색) |
| 증류액 | 냉각된 시험관에 모인 물 |
왜 물만 플라스크에서 빠져나오는가. 대기압에서 물은 100 °C에서 끓습니다. 이와 대조적으로, 황산구리는 강력한 정전기적 힘으로 결합된 이온성 고체이므로, 이 온도 근처에서는 끓는점이 전혀 없고, 강하게 가열하면 끓는 대신 분해됩니다. 따라서 105 °C에서 플라스크에서 올라오는 증기는 본질적으로 순수한 물이며, Cu2+ 그래서42− 이온은 따를 수 없습니다. 용질의 양은 용액의 구성에 의해 결정됩니다: n = C × V = 1.0 mol/L × 0.060 L = 0.060 mol.
시험관 안에서 증기가 응축되는 이유는 무엇인가요?. 응축된 액체를 뭐라고 부릅니다 증류액이것은 용액에서 회수된 물로, 이전의 용질은 그대로 남겨둡니다.
가열을 서서히 해야 하는 이유. 두 가지 이유가 있습니다. 첫째, 105 °C라는 목표 온도는 (끓는점에 겨우 조금 못 미치는 수준으로) 액체가 사라지면서 남은 고체가 과열되지 않도록 하면서 물이 꾸준히 끓게 유지해 줍니다. 과열된 잔류물은 탄화되거나 분해되며, 프로토콜에서는 이를 용질이 타는 것으로 경고하고 있습니다. 둘째, 물이 제거됨에 따라 남는 용액의 농도가 더 진해지고, 총괄성 효과로 인해 끓는점이 100 °C보다 약간 높아지므로, 증류를 계속 진행하기 위해서는 100 °C보다 약간의 여유분이 실제로 필요합니다. 온도계가 처음 100 °C를 가리킨 후 45~60초 동안 멈추는 현상은 센서 주위뿐만 아니라 전체 부피를 끓이는 데 필요한 추가 열을 반영합니다.
학년별 과제 요약
9~10학년
- 집중 녹은 고체와 그 용매는 끓는점에 의해 분리될 수 있으며, 각각 회수된 유분에는 이름이 있다.
- 활동 프로토콜에 따라 장치를 조립하고 안전하게 증류를 수행하십시오. 증류 장치에서 증발과 응축이 각각 어디에서 일어나는지 관찰하고 가리키십시오. 유출액과 잔류물의 이름을 말하고, 그것들이 각각 원래 용액의 어떤 성분인지 밝히십시오. 끓음이 시작되는 때와 잔류물이 처음으로 눈에 보이는 때를 기록하십시오.
11학년
- 집중 분리의 정량적 측면과 이를 유도하는 상변화.
- 활동 농도와 부피로부터 플라스크 내 황산구리의 양을 계산하고, 몰질량을 사용하여 무수염과 오수화물의 잔류물 질량을 예측하며, 휘발성의 관점에서 증기가 순수한 물인 이유를 설명하고, 증류가 진행됨에 따라 용액의 끓는점이 상승하는 이유를 설명하시오.
12학년 / 대학교 수준
- 집중 수화물, 에너지 회계 및 분리 공정 평가.
- 활동 관찰된 잔류물의 색상과 질량을 사용하여 그 수화 상태를 유추하고, 이를 확정하기 위한 시험으로 항량(constant mass)이 될 때까지의 가열을 제안하며; 기화열을 사용하여 물을 기화시키는 데 필요한 에너지를 추정하고; 회수된 어느 분획에도 나타나지 않는 질량의 원인을 설명하며; 증류와 건조 증발을 비교하고 추가 장치가 그럴 가치가 있는 시기를 정당화하시오.
실험실 필수품
악기
- 비커 (50 mL 및 500 mL)
- 삼각플라스크 (250 mL)
- 눈금실린더 (70 mL)
- 핫플레이트
- 실험대 및 클램프
- 자석 교반기
- 플라스틱 커넥터
- 시험관
- 온도계
- 스톱워치
- 유리 엘보우
제품
- 황산구리 1M 용액