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1. 실험 개요
1.1. 실험 목적
소주로부터 에탄올을 증류하여 에탄올의 순도를 높이고, 증류 과정에서 일어나는 물리화학적 현상을 분석하는 것이다. 이를 통해 분별증류의 원리와 공비점 형성에 대한 이해를 높이고자 한다.
소주는 주정과 정제수를 주성분으로 하며, 에탄올과 물의 혼합물이다. 물과 에탄올은 서로 다른 끓는점을 가지므로 분별증류를 통해 에탄올을 분리할 수 있다. 그러나 물과 에탄올은 공비점을 형성하여 완전한 분리가 어렵다. 따라서 이번 실험에서는 분별증류 장치를 이용하여 소주로부터 에탄올을 분리하고, 증류 과정과 결과를 분석함으로써 공비점 형성의 원리를 이해하고자 한다. 또한 증류 전후의 용액 조성 변화를 측정하여 에탄올의 순도 향상 정도를 확인할 것이다.
1.2. 실험 이론 및 원리
물과 에탄올의 혼합물인 소주는 끓는점이 다른 두 물질로 구성되어 있어 단순 증류로는 완전한 분리가 어렵다. 두 물질이 서로 작용하여 azeotrope을 형성하기 때문이다. 아제오트로프는 끓는점이 하나로 일정한 혼합물을 말하며, 증기의 조성과 액체의 조성이 같은 혼합물이다.
물과 에탄올은 positive deviation을 가지는 azeotrope을 형성한다. 이는 온도-조성 그래프가 아래로 볼록한 모양을 띠는 것으로, 이 때 azeotrope의 끓는점은 물과 에탄올의 끓는점보다 낮다. 물과 에탄올 분자 간의 인력이 각각의 분자 간 인력보다 작기 때문에 이런 특성이 나타난다.
따라서 물과 에탄올 혼합물인 소주를 가열하면 에탄올이 먼저 증발하고 액체 내 물의 비율이 점점 증가하게 된다. 그러다가 azeotropic 조성에 도달하면 그 이상으로는 두 물질을 더 이상 분리할 수 없게 된다. 이때의 조성은 약 96%의 에탄올과 4%의 물로, 끓는점은 78.2℃이다.
순수한 에탄올을 얻기 위해서는 azeotropic distillation과 같은 추가적인 증류 방식이 필요하다. 이는 물과 아제오트로프를 형성하지 않는 다른 물질을 첨가하여 증류하는 방법이다. 이를 통해 100%에 가까운 순도의 에탄올을 얻을 수 있다.
1.3. 실험 장치 및 시약
실험에 사용된 주요 실험 장치는 가열 mantle, 응축기, 둥근 바닥 플라스크, 온도계, 온도계 어댑터, 분별증류관, 받침대, 클램프, 고무 어댑터, 케크 클램프, 진공 어댑터, 받침머리, 교반봉, 끓임석, Teflon 테이프, 고무 튜브, 받침대, 5mL 비중병, 플라스크, 100mL 눈금 실린더, 전자 저울, 유리 구슬 등이다.
실험에 사용된 주요 시약은 에탄올(C2H5OH)이다. 에탄올은 분자량 46.07g/mol, 녹는점 -114.1℃, 끓는점 78.37℃, 밀도 0.789g/mL의 특성을 가지고 있다.
이러한 실험 장치와 시약을 통해 유기공업화학실험의 fractional distillation 실험을 진행했다.
2. 실험 결과
2.1. 비중병 부피 측정 결과
비중병의 무게는 11.773g이고, 비중병과 증류수의 무게가 19.136g이다. 따라서 증류수의 무게(질량)은 19.136g - 11.773g = 7.363g이다. 증류수의 밀도(이론값)은 23℃에서 0.9975412g/mL이다. 이를 통해 계산한 비중병의 부피는 7.381mL이다.
2.2. 증류 전 용액의 에탄올 함량 결과
용액의 온도는 19.5℃이다. 용액의 밀도를 측정한 결과, 0.973g/mL로 나타났다. 밀도값과 온도를 참고하여 보간법을 통해 계산하면, 증류 전 용액 중의 에탄올 함량은 16.757%이다. 이는 소주의 에탄올 함량이 표기된 20.1%보다 낮은 수치이다...
