실험보고서 - 증기액체 평형 실험

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본문내용

1. INTRODUCTION
1-1. 이론적 해석
1-1-1. 라울(Raoult)의 법칙
만약 2개 또는 그 이상의 액체가 증기혼합평형을 이룬 이상용액으로 되어있다면 증기 중의 성분 A에 대한 분압 PA는 액체 중의 몰분율 xA에 비로 표시할 수 있다.
즉 Raoult의 법칙에 의하면,
(1-1)
여기서 는 순수 성분 A의 분압이다. 액상 중의 저비점성분 분율을 xA라 하면 고비점성분 B의 몰분율은 xB=(1-xA)가 된다. 여기서 이 액체와 평형상태에 있는 증기 중의 B성분의 분압을 PB라 하면
(1-2)
이 된다. 또 낮은 압력 하에서는 Dalton의 법칙이 증기상에 적용되는데 전압을 P, 저비점성분의 몰분율을 yA라 했을 때 고비점성분의 몰분율은 yB=(1-yA)가 되므로 Raoult의 법칙과 Dalton의 법칙의 관계로부터 다음과 같은 관계를 얻을 수 있다.
(1-3)
, (1-4)
(1-5)
이 된다. 이것은 순수성분의 증기압이 기체-액체 평형관계(x-y선도)를 나타내는데 이용된다는 것을 알 수 있다. Raoult의 법칙을 따르는 용액을 이상용액(ideal soluction)이라 한다.
1-1-2. 이상 용액의 일반적 특성
이상 용액이란 모든 농도 범위에 걸쳐서 Raoult의 법칙을 만족하는 용액을 말한다. 입자크기가 같고 분자간에 작용하는 힘이 같다. 이상 용액의 개념은 여러 휘발 성분을 포함하는 용액에까지 확장된다. 이 개념은 실제 용액의 실험적 성질을 일반화시킨 것이 그 기초가 되며, 모든 실제 용액의 극한 행동을 나타내는 것이다. 여러 휘발성 물질로 된 용액이 처음에는 진공이었던 용기에 들어 있다고 생각하자. 성분이 모두 휘발성이므로 용액의 일부가 증발되어 액체 위의 공간이 증기로 채워질 것이다. 온도 T에서 용액과 증기가 평형에 이르면, 그릇 속의 전체 압력은 용액의 여러 성분의 부분 압력의 합이다. 즉,
(1-6)
이 부분 압력은 액체의 평형 몰분율, 와 마찬가지로 측정이 가능하다. 이 중의 한 성분 가 다른 성분에 비해서 비교적 많이 들어 있다고 하자. 그러면 다음 관계가 성립한다는 것이 실험적으로 밝혀졌다.
(1-7)
여기서 는 순수한 액체 성분 i 의 증기 압력이다.(1-7)식은 Raoult 의 법칙이며, 실험적으로 이 식은 어떤 용액에 대해서나 또 많이 존재하는 성분이 어떤 것이건 관계없이 가 1에 접근할 때 항상 성립한다. 어떤 용액에서나 용매를 제외한 모든 성분이 묽을 때에는 용매가 항상 Raoult의 법칙을 만족 시킨다. 그런데 모든 성분이 휘발성이므로 어느 성분이든지 모두 용매로 표시할수 있다. 따라서 이상 용액이란 각 성분이 어떠한 조성에서나 모두 Raoult의 법칙, 즉 (1-7)식을 만족시키는 것이라고 정의할 수 있다.
이상 용액은 이 외에도 두 가지의 중요한 성질을 가지고 있다. 즉, 순수한 성분을 섞어 용액을 만들 때의 혼합열이 영이고 또 혼합 부피가 영이다. 이런 성질은 모든 실제 용액이 나타내는 극한 성질이다. 모든 용질이 묽게 녹아 있는 용액에다 용매를 더 넣을 때에는 용액이 묽을수록 그 혼합열이 영에 가까워진다. 그리고 이런 경우에는 모든 실제 용액의 혼합 부피가 영에 접근한다[1].
1-1-3 이상용액의 증기압곡선
A, B 2성분계의 혼합물에 대하여 라울의 법칙을 적용해 보면
pB =PB(1-x)
여기서 pA, pB는저비점과 고비점 성분의 증기분압, PA, PB는 각 성분의 순수상태의 증기압이다. 지금 P로 전압을 나타내면
P = pA + pB = PA , x + PB(1-x)
Figure 1. 이상용액의 증기압 곡선.
돌턴의 분압의 법칙에 의하면 증기중의 성분 A의 몰분율인y는 전압에 대한 A의 분압의 비와 같으므로 다음과 같이 나타낼 수 있다.
[2]
1-1-4. 불변 끓는점 혼합물
많은 액체들이 이상적 모양의 온도-조성 상평형 그림을 나타내지만 이상성으로부터 현저하게 벗어나는 행동을 하는 액체도 많다.
일부의 액체들은 Raoult의 법칙에서 예측하는 것보다 낮은 증기압을 가지는 혼합물을 형성하기도 한다. 이들 비이상용액은 성분간의 유사한 상호작용 때문에 음의 벗어남(negative deviation)을 보인다. 낮은 증기압을 갖는다는 것은 높은 끓는 온도를 갖는다는 것을 의미하며 이와같은 물질들의 혼합물은 예측한 것보다 높은 온도에서 끓는다. 이 벗어난 정도가 매우 클 때 혼합물의 끓는 온도는 순수성분들의 끓는 온도보다 높아져 높은 끓는점을 갖는 불변 끓음 혼합물(maximum boiling azeotrope)이 얻어진다(Figure 2참조).
일부 액체들의 혼합물은 Raoult의 법칙에서 예상되는 것보다 더 큰 증기압을 갖는다. 이와같은 비이상용액에서의 양의 벗어남 (positive deviation)을 나타내고 있다. 이와같은 혼합물에서는 분자들이 서로 반발하는 상호작용을 가짐으로써 이상용액보다 더 쉽게 증발하는 경향을 가지고 있다. 더 높은 증기압을 나타내는 물질은 보다 낮은 끓는 점을 가지기 때문에 이와 같은 비이상성을 갖는 혼합물은 예상보다 낮은 온도에서 끓게 된다.

키워드

증기액체 평형 실험,   이상 용액의 일반적 특성,   이상용액의 증기압곡선