일반화학실험 I 5. 용해도 & 재결정

1. 실험제목 : 재결정

 

2. 실험날짜 : 2015. 05. 12 ​

 

3. 실험목적 : 산-염기 성질을 이용해서 용해도가 비슷한 두 물질을 분리하고 정제한다.

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4. 이론 :

자연에서 분리되거나 실험으로 합성된 물질에는 대부분의 경우에 원하지 않은 불순물이 포함되어 있다. 이런 혼합물에서 원하는 물질을 순수한 상태로 분리시키는 것은 화학실험에서 아주 중요한 과정이다. 고체의 경우에 원하는 물질과 불순물의 용해도가 상당히 다르면 적당히 따듯한 용매에 혼합물을 녹인 다음에 순수한 물질을 재결정할 수 있다. 이 밖에도 추출(실험7), 크로마토그래피(실험8), 그리고 액체 혼합물의 경우에 사용하는 종류(실험9)도 많이 사용되는 분리 방법이다. 재결정은 온도에 따라 용해도가 다른 점을 이용하는 방법이다. 대부분의 경우에 화합물이 용매에 녹는 용해 과정은 흡열 과정이기 때문에 온도가 높아질수록 용해도가 커지지만, 반대의 경향을 보이는 경우도 있다. 예를 들어서 아세트산 나트륨을 물에 녹이는 경우에는 열이 발생하는 발열 과정이기 때문에 아세트산 나트륨의 용해도는 온도가 높을수록 작아진다. 주어진 온도에서 어떤 물질이 용매에 더 이상 녹지 않을 때까지 녹인 용액을 포화 용액이라 하고, 용매 100g에 녹을 수 있는 용질의 양을 용해도라고 한다. 주어진 용질이 어떤 용매에 잘 녹는가를 결정할 수 있는 일반적인 법칙은 없다. 그러나 흔히 극성용질은 극성 용매에 잘 녹고, 비극성 용질은 비극성 용매에 잘 녹는다고 알려져 있다. 혼합물을 뜨거운 용매에 녹인 후 다시 식히면 대부분의 경우 용해도가 줄어들어 용해도 이상으로 녹아있던 용질은 침전물로 떨어지게 된다. 만일 불순물의 양이 적고, 우리가 관심을 가지고 있는 물질이 충분히 포함되어 잇는 경우 용해도에 의한 침전물은 불순물이 포함되지 않은 순수한 물질이 된다. 그러므로 재결정 방법을 이용하여 불순물을 제거할 경우 불순물의 용해도는 크고 원하는 물질의 용해도는 비교적 작게 하는 용매를 선택하는 것이 바람직하다. 또한 온도가 높을 때와 낮을 때의 용해도 차이는 회수할 수 있는 물질의 양을 결절하기 때문에 온도에 따른 용해도의 차이가 큰 용매일수록 더 바람직하다. 그러나 이와 같은 정보를 실험 전에 미리 아는 것이 쉽지 않다. 그러한 경우, 적은 양의 용매를 사용하여 높은 온도로 포화 용액을 만든 후 충분히 낮은 온도까지 냉각시켜 재결정하는 일반적인 방법을 사용한다, 그러나 지나치게 적은 양의 용매를 사용하거나 너무 낮은 온도로 냉각시키게 되면 불순물도 함께 침전으로 떨어지게 되어서 순수한 물질을 분리하지 못하게 될 수도 있다. 고체 물질은 정해진 온도에서 녹아 액체가 된다. 순수한 고체의 경우에는 고체가 녹는 동안에 온도가 거의 변화하지 않아서 녹는 온도의 범위가 매우 좁지만, 불순물로 오염된 경우 순수 물질보다 낮은 온도에서 녹기 시작하여 혼합물이 녹으면서 온도가 계속 올라가서 고체 혼합물이 녹는 온도의 범위가 상당히 넓어지게 된다. 따라서 고체 시료가 녹기 시작해서 완전히 녹을 때까지의 온도 범위를 측정하면 고체 시료의 순도를 쉽게 알아낼 수 있다. 한편 혼합물 시료에는 용매에 거의 녹지 않는 불순물이 섞여 있을 수도 있다. 이런 경우에는 용매에 녹는 부분만 녹이고 녹지 않는 불순물은 걸러낸 다음에 재결정하는 방법을 사용할 수 있다. 그러나 뜨거운 용액을 식힐 때 포화용액이 되는 온도에서도 침전이 형성되지 않는 경우도 많다. 이런 상태의 용액은 비평형 상태의 과포화 용액(supersaturated solution) 또는 과냉각 용액(supercooled solution)이라고 한다. 이런 비평형 상태의 용액에 얻고자 하는 물질(“씨앗”(seed)이라고 함)을 조금 넣어주거나, 유리 막대로 용기의 벽을 문질러 주면 갑자기 결정이 생기는 경우가 있다. 그러나 결정이 형성되는 속도가 너무 빠르면 입자의 크기가 매우 작아서 결정을 씻는 과정에서 쉽게 녹을 수도 있고, 결정의 내부에 불순물이 갇혀서 함께 침전이 되는 경우가 있다. 그러므로 재결정 방법을 사용할 때는 용액을 식히는 속도를 낮추어서 크기가 충분히 큰 결정이 서서히 만들어지도록 하는 것이 좋다. 재결정으로 얻은 침전물은 용액으로부터 걸러서 분리한다. 걸러낸 침전의 표면에는 불순물이 포함된 용액에 묻어 있기 때문에 차가운 용매로 씻어내어야 한다. 이때 용매의 온도가 너무 높거나 너무 많은 양을 사용하면 회수한 침전이 다시 녹아버릴 수 있기 때문에 조심해야 한다. 이 실험에서는 아세트아닐라이드(acetanilide)와 벤조산(bezoic acid)의 혼합물을 분리해서 재결정 방법으로 정제한다. 두 화합물은 모두 물에 조금씩 녹지만, 벤조산의 경우 염기성 용액에서 해리되기 때문에 용해도가 더 커진다. 따라서 먼저 염기성 수용액에서 아세트아닐라이드를 침전으로 분리한 다음에 용액을 산성으로 변화시켜서 벤조산의 침전물을 얻는다.

 

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5. 실험 기구 및 시약

A. 실험기구

저울

오븐

가열판

비커 100ml

눈금 실린더 10ml 또는 50ml 눈금 피펫(또는 1회용 피펫)

유리막대

시계접시

온도계

뷰흐너 깔때기

감압 플라스크

감압기

얼음 중탕 또는 물중탕

거름종이

pH 지시종이

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B. 시약

벤조산과 아세트아닐라이드 혼합물 (약1:1) 3 M NaOH 수용액(3M NaOH) 5 M HCl 수용액(5M HCl) ​

 

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6. 실험 방법

실험A. 아세트아닐라이드의 분리와 재결정 1) 벤조산과 아세트아닐라이드가 혼합된 시료 약 2g의 무게를 정확하게 측정해서 비커에 넣고 30ml의 물을 넣는다.

2) 시료의 50%가 벤조산이라고 생각하고 이를 중화시키는데 필요한 3M NaOH 수용액의 부피를 계산하여 이양의 1.5배를 시료가 녹아있는 비커에 넣는다.

3) 충분히 저어준 후에 pH 지시종이로 용액의 pH가 염기성인지를 확인한다. 만약 염기성이 아니면 NaOH 수용액을 몇 방울 더 넣어주고 다시 확인한다.

4) 용액을 거의 끓을 때까지 가열한다. 만약 녹지 않은 고체가 남아있으면NaOH 수용액을 몇 방울 더 가하고, 그래도 녹지 않은 것이 있으면 뜨거운 상태에서 그대로 거른다.

5) 비커를 시계접시로 덮고 용액이 식을 때까지 기다린다.

6) 침전물을 뷰흐너 깔때기를 이용하여 여과하고 차가운 물 1ml씩으로 2~3회 씻어 내린다. 거른용액과 침전물을 씻은 용액은 모두 합쳐서 실험 B에서 사용할 것이므로 잘 보관한다.

7) 침전물을 말린 다음 무게를 잰다. 녹는점 측정장치가 있으면 회수한 고체의 녹는점을 측정한다.

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실험B. 벤조산의 분리와 재결정

1) 실험A에서 얻은 거른 용액에 5M HCl 수용액을 첨가하여 용액이 산성이 되도록 한다. 필요한 HCl 수용액의 부피는 실험 A에서 첨가한 NaOH 용액의 부피와 비슷하다. 용액이 확실하게 산성이 되도록 만들기 위해서 HCl을 약 1ml 정도 더 첨가한다.

2) 요액을 거의 끓을 정도로 가열한다. 뜨거운 상태에서도 녹지 않는 물질이 있으면 증류수 2~3ml를 더 넣는다. 녹지 않은 물질이 다 녹을 때까지 증류수를 2~3ml 씩 첨가한다.

3) 비커를 시계접시로 덮고 용액이 식을 때까지 기다린다.

4) 침전물을 거르고 차가운 물 1ml씩으로 2~3회 씻는다.

5) 침전물을 말려서 무게를 잰다. 녹는점 측정 장치가 있으면 녹는점도 측정한다.

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7. 참고사항

1) 용해도

일정한 온도에서 용매 100g에 녹을 수 있는 용질의 최대량으로 용질의 그램수(g)로 나타낸다.

[네이버 지식백과] 용해도 [solubility, 溶解度] (두산백과) ​

 

2) 아세트아닐라이드

아세트산과 아닐린 사이의 아마이드. 무색의 고체로, 유기물의 합성 원료로 중요하며 해열제와 진통제로도 쓰나 부작용이 있다. 화학식은 C6H5NHCOCH3. [비슷한 말] 아세트아닐리드.

[네이버 사전] 아세트아닐라이드

 

[용해도 및 분별결정]

** 실험 과정

{분별결정}

1) Na2Cr2O7․2H2O 9g + 증류수 6.5ml → 1번 50ml 비커 2) KCl 5g + 증류수 12ml → 2번 50ml 비커 3) ①용액 + ②용액 섞어 수돗물로 냉각(K2Cr2O7 침전 형성) 4) 감압여과(거름종이 무게 미리 측정) 5) 거름종이 위의 침전 무게 측정 {재결정}

1) 앞 실험의 침전물을 완전히 녹일 수 있는 물의 양을 계산하여 비커에 넣고 가열

100ml 증류수 : K2Cr2O7 80g = x ml 증류수 : K2Cr2O7 침전량(g) 2) 실온에서 냉각(순도 높은 K2Cr2O7 침전 생성) 3) 감압 여과(거름종이 무게 미리 측정) 4) 거름종이 위의 침전 무게 측정 후 수득률 계산(물의 무게 20%로 가정) <결과>

① 사용한 Na2Cr2O7․2H2O의 무게 g ② 사용한 KCl의 무게 g

③ 재결정 후의 K2Cr2O7의 무게(실험값) g ④ 반응식으로부터 계산한 K2Cr2O7의 무게 g (수분 20% 차감할 것) Na2Cr2O7 + KCl → K2Cr2O7 + NaCl ​

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8. 실험결과

① 사용한 Na2Cr2O7․2H2O의 무게 9 g

② 사용한 KCl의 무게 5 g

③ 재결정 후의 K2Cr2O7의 무게(실험값) 11.3 g

여과된 시료의 무게 : 18.93g

거름종이 무게 0.6

A4무게 4.2

20.32 – 0.6 – 4.2 = 14.1g

14.1 x 0.8 = 11.3g

 

9. 결과 및 토의

자연에서 분리되거나 실험으로 합성된 물질에는 대부분의 경우에 원하지 않은 불순물이 포함되어 있는데 이런 혼합물에서 원하는 물질을 순수한 상태로 분리시키는 것은 화학실험에서 아주 중요한 과정이다. 이 중요한 과정인 이번 실험은 산-염기 성질을 이용해서 용해도가 비슷한 두 물질을 분리하고 정제하는 실험이었다. 두 물질로는 아세트 아닐라이드와 벤조산을 사용하였다. 아세트 아닐라이드는 염기의 성질을 가지고 벤조산은 산의 성질을 가진다. 실제 실험을 진행해 보니 이 반응의 수득률이 약 89.5%가 나왔는데 일반적인 실험보다는 값이 높게 나왔다. 수득률이 100%가 되지 못한 이유를 생각해보면 아무리 물에 녹지 않는 물질이라고 해도 어느 정도는 물에 녹아 석출되지 않으며 여과하는 과정에서 비이커에 묻은 용질을 제대로 씻어주지 못하였기 때문에 완벽한 실험을 하기 어려웠다. 이론값과는 약 11.8%의 오차를 보이고 있으며 이런 오차가 생긴 원인에 대해 생각해 보면 첫 번째로는 냉각 혹은 증발시킬 때에 제대로 물을 증발시키지 않았고 냉각시키지 않았기 때문에 발생할 수 있다. 또한 얻어낸 결정을 완전히 건조시키지 않았고, 실험 전 시료의 질량을 정확히 측정 못한 것도 오차의 원인이 될 수 있다. 또, 재결정시 그 물질의 일부가 용액에 남게 되는데 완전히 회수를 하지 못한 것도 이유가 될 수 있다.