#7. 재결정과 혼합물

1. 실험 제목 : 아세트-아닐라이드, 벤조산 혼합물의 분리 및 재결정

 

2. 실험 목적 : 산, 염기의 성질을 이용하여 용해도가 비슷한 두 물질을 분리하고 정제하는 재결정을 이용한 혼합물의 분리 방법을 직접 해보며 익힌다.

 

3. 시약 및 실험기구 : 벤조산, 아세트-아닐라이드, 증류수, 묽은 염산, 묽은 수산화나트륨

시약명	화학식	몰질량(g/mol)	끓는점(℃)	녹는점(℃)	밀도(g/mL)
증류수	H2O	18.015g/mol	0℃	100℃	0.997g/mL
벤조산	C7H6O2	122.13g/mol	250℃	122.41℃	1.265g/mL
아세트-아닐라이드	C8H9NO	135.17g/mol	304℃	113℃	1.219g/mL
묽은 염산	HCl	36.46g/mol	-84℃	-114℃	1.49g/mL
묽은 수산화나트륨	NaOH	40g/mol	1,388℃	318℃	2.13g/mL

실험도구 : 0.001g 전자저울, 항온조, 100mL 삼각 플라스크, 여과 삼각 플라스크, 50mL 눈금 실린더, 피펫, 유리막대, 온도계, 뷰흐너 깔대기, 100mL 비커, 리드링, 핀셋, 감압기, 거름종이, pH종이, A4용지

 

4. 이론
1) 재결정은 혼합물을 용매에 섞인 용액의 온도에 따라 용해도가 달라지는 현상을 이용하여 불순물 등을 분리하는 방법이다. 용매에 용질이 녹는 경우는 대부분 흡열과정에 해당하기 때문에 온도가 증가할수록 용해도도 증가하게 되기에 이번 실험에서는 항온조를 이용해 물중탕을 해서 용해가 더욱 빨리 이루어지게 한다. (아세트산 소듐의 경우 물에 용해되면 발열 반응을 나타내 온도가 높을수록 용해도가 낮다.) 이번 실험은 기본적으로 두 혼합물이 용매에 녹고 이후 식히는 과정에서 나타나는 용해도의 차이로 용해도가 낮은 쪽이 먼저 재결정되어 석출되는 현상을 이용하는 것이다. (일정한 온도에서 용매에 용질이 최대한 용해되었을 때 포화상태라고 하는데 이때 용해되는 용질의 양은 온도에 비례하게 된다. 그래서 용질이 온도에 따라서 용해되는 양이 다른데, 높은 온도에서 낮은 온도로 변하게 되면 녹을 수 있는 용질의 양이 줄어들게 되면서 그 차이에 해당하는 양만큼의 용질이 석출되게 된다. 이 실험은 그 점을 이용한 것이라고 할 수 있다.)

 

2) 재결정이 효율적으로 이루어지기 위해서는 혼합물에 따라 용매를 잘 선택해야 한다. 이때 고려할 사항으로 2가지 정도 있다. 첫 번째는 불순물의 경우는 용매에 대해 용해도가 크고 원하는 물질의 경우는 용매에 대해 용해도가 비교적 낮은 용매일수록 좋다. 두 번째로는 온도에 따른 용해도의 차이가 큰 용매일수록 좋다. 세 번째로는 용질과 불순물에 대한 온도계수가 실험에 있어 분명할 수 있도록 해야 한다. 즉 정제하고자 하는 물질은 일상적으로 뜨거운 용매 속에서는 완전히 녹고 차가운 용매 속에서는 다소 불용성인 반면 불순물은 차가운 용매 속에서도 잘 녹아야 한다. 마지막에 결정을 말리기가 쉽도록 용매의 끓는점이 낮을수록 건조에 이용되는 시간이 단축된다. 원하는 물질의 녹는점, 용매의 끓는점, 불순물의 녹는점 순으로 높은 것이 좋다. 이럴수록 정제하고자 하는 물질이 용액이 식는 과정에서 먼저 석출되어 나오는데 불순물은 용매의 온도로 인해 아직 석출되지 않을테니 말이다. 용매는 정제하고자 하는 물질과 화학적으로 반응하지 않아야 한다.

 

3) 재결정이 이루어질 때 주의 사항은 용액을 식히는 속도를 낮추어서 충분히 큰 결정을 서서히 만드는 것인데 이는 용해를 시킬 때 이용한 항온조의 온도와 식힐 때의 온도 차가 극도로 크지 않게 해야 한다. 그리고 그 다음 주의 사항은 지나치게 적은 양의 용매를 사용하거나 너무 낮은 온도로 냉각시키게 되면 원하는 물질이 석출되면서 불순물도 함께 석출되어 함께 침전하게 되어 순수한 물질을 분리하지 못할 수 있다. 또 재결정 표면에 불순물이 부착된 경우 씻는 용매의 온도가 너무 높거나 너무 많은 양을 사용하면 회수된 원하는 물질의 결정이 다시 녹을 수 있으니 주의해야 한다.

 

4) 벤조산과 아세트-아닐라이드의 재결정 분리 원리

이번 실험에서 일단 용매로 증류수를 이용하게 된다. 벤조산과 아세트-아닐라이드 두 물질은 증류수에 대해서 비슷한 용해도를 가져 녹는 것도 비슷하게 녹는다. 그래서 재결정으로 분리하는데 있어 벤조산이 염기성 용액에서 해리(화합물이 각각의 분자나 원자 또는 이온 등으로 나누어지는 현상)되는 성질을 이용한다. 두 물질이 물에 용해된 용액에 NaOH를 넣음으로써 벤조산의 용해도를 더욱 높이는 것이다. 그러면 염기성 용액에서 용액을 식히는 과정에서 용해도가 벤조산에 비해 비교적 낮아 더 적은 양만 용해될 수 있는 아세트-아닐라이드를 먼저 석출시켜 얻을 수 있다. 그리고 남은 용액에 HCl을 넣어주어 중성으로 만들어가 아세트-아닐라이드가 석출된 온도에서 용해도를 비슷하게 맞추어줌으로써 벤조산을 석출해낸다.

 

5) 여과장치 사용법

여과 삼각 플라스크에 실리콘 마개를 끼우는데 이 실험에서는 깔대기에 실리콘 마개가 부착되어있으니 이를 잘 맞추어서 여과 삼각 플라스크 입구에 맞춰 끼워야 한다. 뷰흐너 깔대기 위에는 거름종이를 설치하는데 거름종이가 깔대기보다 큰 경우 자르지 않고 끝부분을 접어서 넣어준다. 거름종이의 질량을 유지시키고 용액을 부어줄 때 더욱 용이하기 때문이다. 걸러주고자 하는 용매로 먼저 적셔주어야 한다. 이때, 거름종이는 반드시 뷰흐너 깔대기에 흡착 되도록 한다. 그 뒤 여과 삼각플라스크에 실리콘 호스를 끼운 뒤 수도에 연결되어있는 아스피레이터와 연결시킨다. 아스피레이터와 연결된 수도를 틀게 되면 물이 계속 쏟아져 나오면서 삼각플라스크 내부의 기압이 줄어들게 되므로 (고기압->저기압) 거름종이 위에 확실히 거르고자 하는 물질들(결정이 되어 거름종이에 걸리게 됨.)만 거를 수 있다.

 

5. 실험방법

먼저 벤조산과 아세트-아닐라이드의 혼합물을 준비하고 저울에 시료를 올릴 종이를 올리고 영점 버튼을 누른다. 그리고 그 위에 혼합물을 2g을 측정하여 준비한다. 이때 뜨고 남은 시료를 다시 시약통에 넣지 않는다. (벤조산과 아세트-아닐라이드가 따로 있는 경우 각각 1g을 측정한다.)

 

1) 아세트-아닐라이드의 분리

1. 항온조의 온도를 90℃로 설정해둔다.

2. 메니스커스 보정법을 이용해 눈금실린더로 증류수 30mL를 측정하여 준비하고 삼각 플라스크에 천천히 넣어준다.

3. 증류수가 있는 삼각 플라스크에 벤조산과 아세트-아닐라이드 혼합물 2g을 넣어준다.

4. 메니스커스 보정법을 이용해 눈금실린더로 5.0M 농도의 NaOH 3mL를 측정하여 위의 삼각 플라스크에 넣어주고 핀셋으로 pH시험지를 이용하여 염기성을 띄는지 확인한다.

5. 삼각 플라스크에 리드링을 끼우고 90℃의 항온조에 넣어 물중탕을 해준다. 과정 중 녹을 때까지 유리막대로 저어 준다. 그래도 잘 녹지 않을 경우에는 NaOH를 1~2mL 정도를 더 넣어준다.

6. 다 녹으면 항온조에서 꺼내 상온에서 식혀준다.(이때 충격을 가하면 결정이 더욱 빨리 생긴다.)

7. 거름종이의 질량을 먼저 측정한 후 여과장치에 설치하고 다 식힌 용액을 이를 이용해서 걸러 준다.

8. 결정이 삼각 플라스크에 남은 경우 소량의 증류수를 이용해 걸러 준다.(증류수를 너무 많이 쓰면 재결정된 아세트-아닐라이드가 녹아서 석출량이 달라질 수 있으니 조금만 쓰도록 주의한다.)

9. 결정이 걸러진 거름종이를 A4용지에 옮겨서 말려준 후 질량을 측정한다.

 

2) 벤조산의 분리

1. 1)에서 걸러주고 남은 용액을 비커에 옮겨 담아 준다.

2. 메니스커스 보정법을 이용해 눈금실린더로 5.0M 농도의 HCl 3mL를 측정하여 준비하고 1의 비커에 넣어준 뒤 핀셋으로 pH시험지를 이용하여 산성을 띄는지 확인한다.

3. 비커를 흔들어주면서 결정이 완전히 결정이 생성될 때까지 기다린다.

4. 거름종이의 질량을 미리 측정하고 여과장치에 설치하고 용액을 부어 거르는 과정을 시행한다,

5. 비커에 남은 결정은 소량의 증류수를 이용해 걸러 준다.

6. 결정이 걸러진 거름종이를 A4용지에 옮겨 말려주고 질량을 측정한다.

7. 질량을 측정하고 난 거름종이의 시약은 고체 폐시약통에 버린다.

8. 아세트-아닐라이드와 벤조산의 수득 백분율을 계산한다.

 

5. 관찰

벤조산과 아세트-아닐라이드 혼합물을 증류수에 넣은 직후는 두 물질이 아직 용해되지 않고 남아있었다. 5.0M 농도의 NaOH 3mL를 넣었더니 염기성을 띄어 pH시험지의 색이 푸른색을 띄어 염기성임을 확인할 수 있었다.

 

 

삼각 플라스크에 리드링을 끼우고 항온조에서 물중탕을 하고 중간중간에 유리막대로 저어주었더니 혼합물들이 모두 용매에 녹았다. 그 이후 상온에서 서서히 식히니 염기성 용액에서는 벤조산보다 용해도가 상대적으로 낮은 아세트-아닐라이드가 석출되었다.

 

아세트-아닐라이드를 거르고 난 용액에 5.0M 농도의 HCl을 3mL 넣었더니 점점 용매의 액성이 중성으로 변해가 벤조산의 용매에 대한 용해도가 낮아지면서 중성의 증류수에서와 비슷한 용해도를 갖게 되어 상온에서 벤조산이 석출되었다.

 

 

6. 결과

	아세트-아닐라이드	벤조산
거름종이 질량(g)	0.692	0.686
거름종이+결정 질량(g)	1.482	1.505
결정 질량(g)	0.790	0.819
수득 백분율(%)	79.0%	81.9%

 

아세트-아닐라이드 건조 전	아세트-아닐라이드 건조 후

 

벤조산 건조 전	벤조산 건조 후

 

7. 토의

 

1.오차의 원인 분석 및 해결방법

-아세트-아닐라이드와 벤조산 모두 이론상 기존에 넣어준 양에 달하지 못하고 있다. 애초에 혼합물을 가지고 실험을 진행해 거의 일정하게 각각 1g씩 들어간 게 아니라 하더라도 두 물질의 석출된 결정의 질량을 더해도 2g이 채 되지 않는 1.609g이다. 그러니 기존에 사용한 두 물질 모두 넣어준 양만큼 석출되지 못한 것이다. 실험 과정 중에 유리 기구를 통해 사람이 옮기다 보니 원래 기존에 있던 물질들이 온전히 모두 온전히 옮겨지지는 않고 옮기는 과정에 손실이 생길 것이다. 그리고 상온 자체의 온도에서 냉각이 이루어지기 때문에 상온에서 용해되는 포화량만큼의 실험상의 손실이 존재할 것이라고 생각한다. 또한 pH시험지 중간에 2번 정도는 용액에 집어 넣는데 이 중에도 pH시험지에 용질 일부가 달라붙어 손실이 생겼을 것이다. 물론 80℃의 항온조에서 실험을 진행하여 벤조산과 아세트-아닐라이드 둘 중 어느 물질의 녹는점에도 달하지는 못할 것이나 혼합물로서 있었기에 상태변화가 일어나는 온도인 녹는점이 낮아지는 현상이 일어나 이로 인해 손실이 발생했을 수도 있다. 항온조의 뚜껑을 닫고 내부에서 물중탕을 했는데 80℃의 항온조와 삼각 플라스크 물의 표면에서 증발이 일어나 항온조 안 공간에서 분자들이 운동하다 용질의 물질들도 이 물 분자들의 증발과 응축의 현상의 영향을 받아 삼각 플라스크 밖 항온조로 이동하기도 했을 것이라고 생각된다.

 

2. 이론이 어느 부분에서 적용되었는가?

-재결정이 용해가 일어난 용액에서 온도에 따라 용해도의 차이로 인해 물질이 석출되는 현상으로 혼합물을 분리하는 방법임을 증류수에 대해 용해도가 비슷한 두 물질을 이용하는데 염기성 용액에서 해리되어 용해도가 더욱 높아지는 벤조산을 특징을 이용해 용해도의 차이를 형성시켜 항온조의 온도에서 벗어나 상온의 온도에서 용해도가 낮은 아세트-아닐라이드가 녹는 양상을 확인해 보면서 이를 알 수 있었다.

 

3. 실험 (1)에서 5.0M 농도 NaOH를 넣는 이유를 생각해 보자.

-벤조산이 염기성 용액에서 해리되는 성질을 이용하기 위해 NaOH를 넣는 것이다. 두 물질이 물에 용해된 용액에 NaOH를 넣음으로써 벤조산의 해리가 일어나 벤조산의 용액에서의 용해도를 더욱 높이는 것이다. 그렇게 되면 중성의 증류수에서는 두 물질이 비슷한 용해도를 가지고 있었으나 염기성 용액에서 벤조산의 용해도가 커져 같은 온도라도 벤조산이 비교적 더 많은 양이 용해되게 된다. 이때 용액을 식히는 과정에서 용해도가 벤조산에 비해 비교적 낮아 더 적은 양만 용해될 수 있는 아세트-아닐라이드를 먼저 석출시켜 얻을 수 있어 걸러낼 수 있기에 실험 (1)에서 5.0M 농도의 NaOH 3mL를 넣게 된다.

 

4. 실험 (1)에서 용질이 항온조에 물중탕한 이후에도 녹지 않아 NaOH를 더 첨가해서 벤조산의 용해를 더욱 촉진하는데 이 중 녹지 않은 아세트-아닐라이드는 어떻게 더욱 용해를 촉진하는가?

80℃에 해당하는 열을 계속 공급받는 것이니 포화상태에 달하는데 시간을 덜 소비했을 수도 있지만 항온조의 뚜껑을 닫고 내부에서 물중탕을 하면서 80℃의 항온조와 삼각 플라스크 물의 표면에서 증발이 일어나 항온조 안 공간에서 분자들이 운동하다 용질의 물질들도 이 물 분자들의 증발과 응축의 현상의 영향을 받아 삼각 플라스크 밖 항온조로 이동해 용해될 양이 줄어들기도 했을 것이다. 또한 이때 항온조의 물분자가 삼각 플라스크 내부 벽면에서 응결되어 삼각 플라스크 내 용매의 양이 늘어나기도 하면서 용해가 촉진되었을 것이다.