1. 실험제목 : 기체 확산2. 실험목적액체 표면에서 증발에 의한 기체의 확산계수를 구한다.3. 실험원리:가.확산이란 :혼합물을 통해 각 성분이 물리적 자극에 영향을 받아 이동하는 것이다. 확산의 가장 보편적 원인은 확산 성분의 농도구배에 있다. 농도구배는 농도를 같아지게 하여 농도구배를 없애는 방향으로 성분을 이동시키려고 한다. 확산 성분을 구배의 고농도 끝에 계속해서 공급하고 저농도 끝에서 제거하여 구배를 유지하면, 확산 성분의 흐름은 연속적이다.확산의 일반적 원인이 농도구배이긴 하지만, 역삼투압에서와 같은 활동도구배, 압력구배, 온도구배, 또는 원심력과 같은 외력장에 의해서도 확산이 일어날 수 있다. 온도에 의해 생긴 분자확산은 열확산(thermal diffusion)이며, 와력장에 의한 것은 강제확산(forced diffusion) 이다.확산은 고체나 유체의 정체층을 통한 분자이동에 한정되지 않는다. 유체에서의 열이동이 대류에 의해 일어나는 것과 마찬가지로 확산 또한 물리적 혼합과 난류의 와류에 의해 유체상에서 일어날 수 있고, 이것을 와류확산(eddy diffusion)이라고 한다. 때에 따라서는 이 확산공정은 확산방향에 평행한 방향의 본체흐름에 동반되기도 하며, 가끔 열이동과 연관되기도 한다.나.확산이론(theory of diffusion)여기서는 주로 상간의 계면에 수직한 방향으로의 확산과 장치내의 일정한 장소에서의 확산에 초점을 두고자 한다. 정상상태를 가정하면 어느 한 점에서의 농도는 시간에 따라 변하지 않는다.분자들은 다른 분자들과 충돌에 의해 되튀기면서 방향을 바꾸어서 반드시 직선으로 움직이는 것은 아니다. A라는 분자는 B분자들 사이로 방향이 바뀌면서 1지점에서 2지점으로 확산해나간다.만약 2지점보다 1지점에서가 A라는 분자가 더 많이 있으면 양쪽방향으로 확산이 다 일어나지만 더 많은 A분자가 2에서1 보다 1에서 2로 확산해 나갈 것이다. 순수한 A분자의 확산은 고농도 지역에서 저농도 지역으로 일어난다.한 예로서 컵안에 있는 물에 청색 구배에 직접 비례한다. 그러나 열은 물질이 아니고 이동하는 에너지이기 때문에, 그 이상의 유사성을 갖지는 못한다. 열이 한 점에서 다른 점으로 흐를 때 그 뒤에 공간이 생기지 않으며, 새로운 위치에서 공간을 필요로 하지도 않는다. 열흐름 속도에는 아무 의미도 없다. 확산은 물질의 실질적 흐름으로, 일정한 속도로 일어난다. 확산 성분은 그 뒤에 공간을 남기며, 새로운 위치에서 흐름을 위한 공간이 있어야 한다.확산의 물질적 성질과 확산흐름으로 다음과 같은 3가지 유형으로 구분할 수 있다.(1) 혼합물의 한 성분 A만이 계면으로부터 또는 계면으로 전달되며, 전체 흐름은 A의 흐름과 같다. 기체로부터 액체로의 단일성분의 흡수가 이 유형의 본보기이다.(2) 혼합물 속의 성분 A의 확산이 성분 B의 몰(mole)유량과 양이 같으면서 반대방향이 되어 순 몰유량이 없다. 이것은 일반적으로 증류의 경우이며, 기상에서 순 부피유량이 있다.(3) A와 B으 확산이 반대방향으로 일어나지만, 몰플럭스가 같지 않다. 이 경우 화학적으로 반응하는 물질이 촉매표면으로 또한 촉매표면으로부터 확산할 때 가끔 일어나지만, 이에 관한 식은 본 교재에서 취급하지 않는다.라. 확산량 확산이론에서는 5가지 상호관련된 개념들이 사용된다.(1) 길이/시간으로 정의된 속도 u(2) 면 N을 가로질러 흐르는 플럭스, 몰/면적-시간.(3) 속도가 0인 면에 대한 상대적 플럭스 J, 몰/면적-시간(4) 농도c 및 몰밀도, 몰/부피(몰분율도 사용될 수 있음)(5) 농도구배dc/db, 여기서, b는 확산이 일어나고 있는 면에 수직한 경로의 길이필요에 따라 적절한 하첨자를 사용한다. 이 식들은 SI, cgs 및 fps단위에 똑같이 사용한다. 경우에 따라서는 몰단위대신 질량단위를 유량과 농도에 사용될 수도 있다.마. 확산속도개개 물질의 이동과 전체 상의 이동을 설명하기 위해서는 몇 가지 속도가 필요하다. 절대운동은 의미가 없으므로, 어떤 속도는 임의의 정지상태를 기준하지 않으면 안 된다. 여기서 특별한 설명없이 “속직으로 면에 대해 상대적인 것으로 정의된다. 어떤 경우에는 순몰유량이나 순질량유량이 있을 수도 있겠지만, 정의에 따라 이 기준면을 통한 순부피유량은 없다. 기 기준면을 통한 성분A의 몰플럭스는 JA로 표시된 확산플럭스(diffusion flux)이며, 이것은 정지면에 대한 A의 플럭스에서 속도가 u0이고, 농도가 cA인 전체 흐름에 의한 플럭스를 뺀 것과 같다. 즉,확산플럭스 JA는 농도구배 dcA/db에 비례한다고 가정하고, 성분B와 함께 있는 혼합물 속에서 성분A의 확산도를 DAB라고 표시하면,..............(1)가 된다. 성분B에 대해서도 비슷한 식을 적용하면 다음과 같이 된다...............(2)식(1)과 식(2)은 2성분 혼합물 확산에 대한 Fick의 제 1법칙을 설명한 것이 다. 이 법칙은 다음 3가지 사항에 근거한 것임을 유의해야 한다.(가) 플럭스는 단위면적 단위시간당 몰로 표시된다.(나) 확산속도는 부피평균 속도에 생대적인 것이다.(다) 구동력은 몰넝도 항(단위부피당 성분 A의 몰수)으로 표시된다.DAB의 차원은 길이 제곱 나누기 시간이며, 보통 m2/s 또는 cm2/s으로 표시한다.(2) 확산도간의 관계DAB와 DBA간의 관계는 몰밀도가 조성에 상관하지 않으므로, 이상기체에 대해서는 쉽게 알 수 있다.일정한 온도와 압력 하의 기체에서 A와 B가 확산하는 경우,와 같이 쓸 수 있다. 부피유량이 없는 면을 기준면으로 택하면 몰부피가 같으므로, A와 B의 몰 확산플럭스의 합을 0으로 놓을 수 있다. 즉,dcA = - dcB이므로, 확산도는 같아야 한다. 즉,액체를 취급할 때에도 A와 B의 모든 혼합물들이 같은 질량밀도를 가지면 같은 결과를 얻는다. 즉,.....(3)기준면을 통한 부피흐름이 없으므로, 확산에 의한 부피흐름의 합은 0이다. 부피흐름은 몰흐름에다 몰부피 M/ρ를 곱한 것이며 다음과 같다.(4)식(3)을 식(4)에 대임하면 다음과 같이 주어진다.밀도가 변하 bulk flow)에 의해 운반된 성분 A의 양과 분자확산에 의해 전달된 A의 양을 계산한 것이다. 플럭스와 농도구배는 방향과 크기에 의해 표시되므로, 벡터 성질을 이해하지 않으면 안 된다. 앞에서 유도한 것처럼 양이 벡터는 계면으로 부터 멀어지든 또는 계면을 향하든 간에 b가 증가하는 방향이다. 식(5)에서 보는 바와 같이, 구배의 부호는 확산플럭스 방향과 반대이다. 왜냐하면 열이 온도가 “낮은 쪽”으로 흐르듯이 확산은 더 낮은 농도방향, 즉“내리받이”(downhill)로 이루어지기 때문이다.식(5)으로 포괄되는 몇 가지 경우가 있다. 가장 간단한 경우는 두 기체의 확산 혼합과 같이 대류흐름이 없고 A와 B가 등몰 상호확산(counterdiffusion)을 하는 것이다. 이것은 또한 등몰 일류가 있는 증류에서 기상내의 A와 B가 확산하는 경우이다. 두 번째 일반적인 경우로는, 대류흐름이 한 성분의 확산에 의해 일어나는 혼합물 중의 한 성분만이 확산이다. 이러한 예로는 계면에서 기체흐름으로 증기가 확산하는 액체의 증발이나 비응축성 기체의 존재 하에서 증기가 응축하는 것을 들 수 있다. 많은 예의 기체흡수에서는 한 성분만의 확산으로 계면을 향한 대류흐름이 생긴다. 기체 속에서 일어나는 이런 2가지 유형의 물절전달은 정지상태의 기체층이나 일정한 두께의 경막(film)을 통한 정상상태의 물질전달과 같은 간단한 경우에 대해서 여기서 다루지 않는다.바. 물질전달에서 확산의 역할모든 물질전달 조작에서는 확산이 적어도 상에서 일어나며, 보통은 두 상에서 일어난다. 기체흡수에서는 용질이 기상을 통하여 두 상 간의 계면으로 확산하며, 계면으로부터 액상을 통해 확산한다. 중류에서는 저비점 물질이 액상을 통해 계면으로 그리고 계면에서 벗어나 증기 속으로 확산하다. 고비점 물질은 반대방향으로 확산하여 증기를 통해 액체로 이동한다. 침출에서는 고상을 통한 용질의 확산에 이어 액상으로 확산한다. 액체추출에서는 용질이 추출잔류상을 통해 계면으로, 그리고는 추출상으로 확산한다. 결정화에서 등몰확산을 한다. 각방의 농도를 일정하게 유지하게 하기위해 각방을 Stirring해 준다.그리고 각 지점에서의 부분압은 pA1 > pA2 , pB2 > pB1 이다.A분자는 왼쪽으로 확산해 나가고, 똑같은 몰수로 B분자는 오른쪽으로 확산해 나간다. 즉 이것은=을 뜻한다.B에 대한 Fick's Law을 다시 쓰면전체압력 P = pA +pB = constant 이므로 전체 농도 c = cA + cB 이다.따라서 이식을 미분하면 dcA = -dcB 가 된다. 따라서 아래와 같은 식이 나온다.=-결국이다.(2) 비확산 분자 B를 통한 A분자의 확산분자확산과 대류확산이 둘다 일어나는 일반적인 경우지금까지 우리는 정체 유체속에서의 확산에 대해서만 다루었다.죽 A와B혼합물이 있는 전체유체의 움직임이 없었다. 확산플럭스가 농도구배에 의한 분자확산에 의해서만 일어났다. 이 확산플럭스의 단위는 kGmolA / s-m^2 이고 이것은 A의 오른쪽으로의 확산속도로 표시 될수 있다.( kGmolA / s-m^2) =()여기서 vAd는 A의 확산속도이다. 전체유체가 오른쪽으로 움직인다고 생각해보자. 정지점을 기준으로한 전체유체의 몰평균속도를 vM이라두자. 그리고 vAd는 움직이는 유체를 기준으로한 A분자의 확산속도이다. 이 때 정지한 사람이 봤을 때 A분자는 전체유체가 움직이는 속도보다 더 빨리 움직이는 것처럼 보인다. 따라서 분자확산과 대류확산이 다 일어나는 경우의 A분자의 속도는 다음과 같이 표시된다.vA = vAd+ vM여기서 vA는 정지점을 기준으로한 A분자의 속도이다.vA-------------------->------>------------->vAd vM여기에 cA를 곱하면 cAvA = cAvAd+ cAvM여기서 첫 번째 항은 정지점을 기준으로한 A분자의 플럭스,가되고 두 번째항은 움직이는 유체속에서의 A분자의 확산플럭스가되고 , 세 번째항은 정지점을 기준으로한 A분자의 대류플럭스이다. 수식으로 표시하면=+ cAvMN을 정지점을 기준으로한 총대류플럭스라고 두면N = cA다.
1. 물질 전달(3)열은 매질 내에 온도 차가 존재할 때 전달되는 것이다. 비슷하게 혼합물 내에 몇몇 화학성분이 농도차가 존재한다면 물질 전달은 반드시 일어난다.물질전달: 혼합물 내 성분의 온도차로 인한 물질의 이동현상온도 구배가 열전달을 위한 구동 포텐셜(driving potential)인 것처럼 혼합물 내의 성분 농도 구배(concentration gradient)가 그 성분의 전달을 위한 구동 포텐셜을 제공한다.물질전달이란 용어가 사용되는 문맥을 명확히 이해하는 것이 중요하다. 비록 유체의 체적흐름이 있을 때는 언제나 물질이 전달되겠지만, 이것을 명심해야 되는 것은 아니다. 예를 들면 , 우리가 물질전달이라는 용어를 사용하여, 홴에 의해 이루어지는 공기의 흐름이라든다파이프를 통해 강제적으로 이루어지는 물의 흐름을 서술하지는 않는다. 두 경우에 있어, 기계적 일에 의한 전체 또는 부분적 유체흐름이 존재한다. 그러나 이 용어를 사용해서 혼합물내 농도 구배로 인한 성분의 상대적 운동을 표현한다. 한 예로 파워 플랜트의 굴뚝으로부터배출되는 황 산화물이 대기로 확산되는 것이며, 다른 얘로는 가정요 가습기에서처럼 수증기가 건조한 공기로 전달되는 것이다.1. 물질전달(mass transfer)(1)===>같은 상이나 서로 다른 상 경계에서 물질이 서로 이동하는 것을 말하며, 증류나 추출, 흡수, 건조, 조습, 조습 등이 물질 전달을 기초로 한 조작들이다.물질 전달은 확산(diffusion) 작용에 의하여 일어난다.확산: 분자 확산(molecular diffusion) :물질 자체의 분자 운동에 의하여 일어나는 확산난류 확산( eddy diffusion, turbulent diffusion): 교반과 빠른 유속 등에 일어 등에 의 한 확산그러나 실제의 조작은 두 가지의 확산이 같이 일어나는 경우가 많으며 대부분 난류확산이 물질이동을 일으키는 것이 된다2. 이동현상(2)(1)Fick의 법칙분자 확산은 각 분자가 무질서한 개별운동에 의해 유체 속을 운동 또는 이동해 나가는 것이다. 각 분자는 직선운동을 하지만 다른 분자와의 충돌에 의해서 방향이 임의로 바뀌는 무질서한 경로를 가지고 이동한다. 만일 A,B 두 성분 혼합물이 z방향으로 농도차가 있을 때는 여기에 직각인 단위면적에 대해 단위시간당 A성분이 확산하는 속도 [{N}_{A}kg-mol/{m}^{2}h]는 단면에서의 농도 기울기{d{C}_{A}} over {dz}에 비례한다. 즉,{N}_{A}={d{n}_{A}} over {d theta}= -{D}_{AB}{d{C}_{A}} over {dz}[kg-mol/{m}^{2}h]여기서 비례상수{D}_{AB}를 분자확산계수(molecular diffusivity)라고 한다. 또{C}_{A}는 A 성분의 몰농도[kg-mol/{m}^{3}], z는 확산 거리이다. 이 식을 Fick의 법칙이라 하며 확산의 기본식이다.(2)이동현상 공정의 유사성이동현상은 운동량 전달(momentum transfer), 열전달(heat transfer), 물질전달(mass transfer)와 같이 세 가지의 이동(또는 수송)공정으로 나누어 생각할 수 있다.운동량 전달은 유체흐름, 혼합, 침강, 여과와 같은 단위조작에서 일언며, 열전달은 열의 전도 대류 및 증발 증류 건조 등의 조작에서, 또 물질 전달은 증류, 흡수, 추출 건조 등의 조작에서 일어난다.이 세가지의 이동공정은 다음과 같은 일반식으로 나타낼 수가 있다.이동 공정의 전달 속도={추진력} over {저항}각 이동공정에 대한 기본식을 비교해 보면 이들 공정 사이의 유사성을 발견할 수가 있다.운동량 전달:Newton 의 법칙tau={F} over {A}= -mu{du} over {dy}열전달 Fourier의 법칙 q={Q} over {A}= -k{dt} over {dl}물질전달 Fick 의 법칙{N}_{A}={d{n}_{A}} over {d theta}= -{D}_{AB}{d{C}_{A}} over {dz}위 세 으로부터 각 이동 공정의 추진력이 각 각 속도차, 온도차 및 농도차 임을 알 수 있으며 비례상수에 해당하는 것이 점도, 열전도도 및 분자확산 계수이다.3. 기상에서의 확산(1)등몰 확산연결된 두 개의 큰 용기내에 A,B en 기체가 들어 있고 전압은 P로 일정하며 정상상태에서 분자 확산이 일어나는 경우를 생각하자. 각 용기는 교반에 의해 일정한 농도를 유지하고 분압은 A가 크다고 하면 A성분은 B성분 쪽으로 확산하게 된다.전압이 일정하므로 A성분이 확산한 총 몰수와 B성분이 확산한 총 몰수는 같다. 이러한 확산을 등몰확산이라 한다. 증류 조작이 이것에 해당한다.등몰 확산은 A와 B의 확산 속도는 같고 방향만 반대이다.{N}_{A}=-{N}_{B}{N}_{A}={ {D}_{m}( {y}_{A1}-{y}_{A2}) } over {({Z}_{2}-{Z}_{1})}여기서{y}_{A}={{C}_{A}} over {C}로 무차원 농도를 나타내며,{D}_{m}은 몰확산계수라고 한다.{Z}_{2},{Z}_{1}는 확산 위치이다. 따라서 등몰 확산의 경우는 분자확산 속도는 분압차 또는 농도차에 비례하고 확산 거리에는 반비례함을 알 수 있다.(2)일방확산일방 확산은 기체 중의 한 성분 만이 한 방향으로만 확산하는 경우를 발하며, 흡수, 추출 및 증발 조작에서 일어난다. 예를 들어 물 위에 공기(B)와 암모니아(A)가 있으면, 암모니아가 기체 본체로부터 물 족으로 확산할 때에는 공기도 그 반대방향으로 확산하지만 공기는 물에 대한 용해도가 매우 낮기 때문에 그 뒤쪽의 경계면으로 부터 보충되지 않기 때문에 계면에서의 기체 전압은 낮아진다. 이것을 기체의 전체 운동(total bulk motion)이라고 한다. 전체운동에 의한 A, B 두 성분의 z 방향으로의 이동 속도는{N}_{A}+{N}_{B}로 나타내어진다.한 편 B에 대해서는 자신의 확산속도와 전체 이동과는 반대 방향이므로 상쇄 되어 실제로는 이동이 일어나지 않는 비확산 기체이며 A만이 일방 확산한다.
실험 제목 : 비누제조1) 실험 목적유지의 비누화반응과 염속에 의한 물질의 분리법 등을 익히고 실제로 비누를 제조하여 본다.2) 실험 이론지방이나 기름은 일반적으로 탄소수가 많은 고급지방산인 스테아르산(stearic acid), 팔미트산(palmitic acid), 올레산(oleic acid) 등과 글리세롤과 에스터 혼합물이다. 올레산과 같은 불포화 지방산을 많이 포함하고 있는 유지는 녹는점이 낮다. 즉 실온에서 고체인 지방은 불포화 지방산의 비율이 적고, 실온에서 액체인 기름은 이 비율이 크다. 유지의 일반식은 {{CH }_{2}-OCO-C SUB n H SUB 2n+1{{CH }-OCO-C SUB n H SUB 2n+1{{CH }_{2}-OCO-C SUB n H SUB 2n+1지방산의 글리세롤 에스터인 기름이나 지방을 알칼리와 함께 끓이면 비누화(saponication) 일어나서 지방산의 금속염과 글리세롤이 생긴다. 고급지방산의 금속염이 비누이며 금속의 종류에 따라 용도가 다르다. 유지의 비누화는 다음과 같다.{비누를 만들 때 사용하는 유지의 종류에 따라 NaOH의 양이 중요하며 이들의 양적 관계를 비누화값(saponication value)이라 한다. 즉 유지 1g을 비누화 하는데 필요한 KOH의 mg수를 비누화 값이라 하며, 적용범위는 건성유와 에스터를 제외한 일반 유지에 적용된다.{NaOH(mg)= 검화가 × {NaOH ·MW(40)} OVER {KOH ·MW(56)}=검화가×0.714비누 원료로 사용되는 유지는 비누화값이 높은 것이 좋다. NaOH로서 비누화할 때 처음에는 비교적 묽은 농도로서 조금씩 첨가하여 유지를 에멀전화 시켜 반응이 일어나기 쉽게 한다. 또 알코올을 소량 첨가하면 유지는 먼저 알코올의 에스터가 되어 알코올에 잘 녹으므로 수산화나트륨과 반응하기 쉽게 된다. 반응온도는 80-90도 정도이다. 반응도중에 내용물이 풀 모양으로 엉겨서 반응이 잘 진행되지 않을 때는 소량의 물이나 알코올을 가한다. 생선된 지방산의 나트륨염과 글리세롤은 균일하게 섞여 있지만 소금을 넣고 가열하면 나트륨염은 두부같은 모양에서 점차 불투명한 덩어리로 되어서 액 표면에 떠 오른다. 이것을 냉각시켜 위층의 비누를 분리한다.*비누의 단점센물에서 세턱의 효과가 없다. Hard water는 magnesium, calcium과 철의 염이 들어있는 물이다. 따라서 센물에서 비누가 사용되면 지방산의 불용성 calcium salt 즉, calcium비누와 이와 같은 염 들이 형성되어 굳어져버린다. 이러한 침전이 욕조의 벽에 묻어 있기도 한다. 비록 센물에 쓰기에는 좋지 못하지만 단물에서는 강력한 세척력을 갖는다. 센물에서도 비누의 효과가 나타나도록 하기 위해 유화제를 넣는데, sodium carbonate나 trisodium phosphate가 바로 그것이다. 이러한 염기성염은 물속에서 calcium ion 등과 방응하여 침전으로 떨어진다. 그러나 이러한 침전은 옷감에 묻어 옷이 누렇게 되는 원인이 된다.*비누의 장점미생물에 의해 쉽게 분해된다. 미생물은 긴 비누분자를 먹고 이산화탄소와 물로 분해해 버리기 때문에 비누는 곧 자연에서 분해되어 없어질 수 있다.{*비누의 세척작용더러운 옷이나 피부등의 표면에는 oil이나 grease층에 더러운 입자들이 분산되어 있다. 극성인 물분자는 이러한 비극성인 기름이나 grease층에 묻혀 있는 오물을 제거할 수가 없다. 비누 분자는 극성인 수용성 머리(carboxylate salt)와 길게 기름에 녹을 수 있는 꼬리 즉, 탄화수소사슬로 되어 있다. 비누의 탄화수소꼬리는 기름이 성질을 갖는 물질에 녹아 들어가고 이온성 머리 부분은 기름층 밖의 물속에 내밀고 있는 상태가 된다. 많은 양의 비누분자가 있게 되면 비누의 탄화수소부분이 서로 뭉쳐 방울을 형성하게 된다. 오물은 이 방울속에 갇혀 물속에 떠다닌다.3) 실험방법{식용유 20g 을 달아 300ml 플라스크에 넣고 알코올 10ml 가한후 40도로 데운다.: 알코올을 소량 첨가하면 유지는 먼저 알코올의 에스터가 되어 알코올에 잘 녹으므로 수산화나트륨과 반응하기 쉽게 된다.{20% 수산화 나트륨을 넣고 알코올 냄새가 없어질 때까지 가열한다.: 수산화 나트륨을 넣은면 비누화 반응 이 일어난다{150ml의 소금물 포화용액을 만들어 2개로 나누어 놓는다.: 소금을 넣고 가열하면 나트륨염은 두부같은 모양에서 점차 불투명한 덩어리로 되어서 액표면에 떠오른 다.(염석효과){1번 소금물을 데우고, 비누화가 끝난액을뜨거운 소금물에 가하여 식힌다.{비누를 찬 소금물(2)에 넣은다음, 소금물을 따라내고 물로 가볍게 씻고 헝겊으로 걸러 물을 짠다. 그 후 약한 불로 녹여 틀에 부어 식힌다.: 냉각 시키기위해 찬소금물을 넣고 위층 의 비누를 글리세롤과 분리한다.실험 예상결과. 비누화의 완결조사1 손끝으로 문지르면 미끈미끈하면서 엷은 비늘 모양으로 되는 것이 좋다.2 유리막대 끝에 묻혀 올리면 실이 빠질 정도로 끈기가 있다.3 투명하고 균일한 풀 모양이 된다.4 손에 묻힐 때 기름기가 있거나 물방울이 남아 있는 것은 좋지 않다.5 액 전체가 반투명으로 되고 거품이 있는 상태이다.