일반화학실험 재결정

안녕하세요? 오늘은 일반화학실험 재결정에 대해서 말씀드리겠습니다. 

1. 제목

재결정 (recrystallization)

2.실험목적

불순물을 제거하고 순수한 불질만을 얻어내기 위해 정제 방법 중 한 가지인 재결정법을 이용한다.

3. 실험 이론

1. 재결정

특정용매 혹은 특정온도 조건 하에서 서로 다른 용해도를 갖고 있는 물질들이 혼합물을 이루고 있을 경우, 그 용해도 차이를 이용하여 불순물을 제거하고 목적하는 물질의 순수한 결정을 얻어내는 방법이다. 정제 방법은 대부분의 고체의 용해도가 온도 상승에 따라 증가한다는 원칙에 기반을 둔다. 이것은 온도가 상승함에 따라 용매에 용해될 수있는 용질의 양이 증가한다는 것을 의미한다.

출처: https://chem.libretexts.org

2. 용해도

1) 용매의 성질 

용질의 분자구조나 전기적 특성 등이 용매와 비슷하면 높은 용해도를 가진다. 

예) 극성인 물과 소금, 일반적으로 이온 결합 화합물은 극성 용매에서 용해도가 크다.

2) 용질의 성질

용액의 농도가 크지 않으면 용질의 용해도는 다른 용질이 존재할 때 용해도에 별로 영향을 받지 않는다고 말할 수 있으나 공통이온을 가진 용질의 경우에는 상당히 크게 영향을 받아 용해도가 감소한다. 

- 용해도 곡선

압력이 일정할 때 용해도는 온도에 따라 변화한다. 이 관계를 보통 가로축에 온도, 세로축에 용해도를 잡아 그래프로 나타낸 것이 용해도 곡선이다.

3) 용해도의 변화요인: 온도, 압력

ㄱ. 온도

- 르샤틀리에(Le chatelier)의 법칙: 화학 평형 상태에서 농도, 온도, 압력, 부피 등이 변화할 때, 화학 평형은 변화를 가능한 상쇄시키는 방향으로 움직인다. 용해도는 온도에 따라 크게 달라지는 편이다. 르샤틀리에 원리에 따라 녹는 과정이 흡열 반응이라면 용해도는 온도가 올라감에 따라 올라가고, 반대로 녹는 과정이 발열 반응이라면 용해도는 온도가 올라감에 따라 내려간다.

발열 반응 시 =>온도상승, 용해도 감소

흡열 반응 시 =>온도하강, 용해도 증가

ㄴ. 압력

- 모든 기체의 용해도는 용액에서의 각 기체의 부분압에 비례

- 액체 고체의 경우에는 압력에 의한 용해도의 변화는 거의 없다.

3. 결정 석출 법

1) 온도강하법 

온도에 따른 용해도 차이가 있는 경우 혼합물 용액을 과포화 용액이 될 때까지 냉각시킴으로써 어느 한 물질을 침전으로 분리해낸다.

2) 증발온법

용액의 온도는 일정하게 유지하면서 용매를 증발시킴으로써 과포화용액을 만든다.(염전에서 소금 만들기)

3) 용매 이용법

특정 물질은 선택적으로 용해시킬 수 있는 용매를 사용해서 어느 한 물질을 용해시켜 분리해낸 후 나머지 물질을 침전 형태로 분리해낸다. 

ㄱ. 용매의 선택 

재결정법에 사용되는 용매는 다음 몇 가지 기준에 부합되어야 한다. 

- 용질과 불순물에 대한 온도계수가 적합해야 한다. 즉 정제하고자 하는 물질은 이상적으로 뜨거운 용매 속에서는 완전히 녹고 반면에 차가운 용액에서는 가능한 불용성이어야 한다. (이렇게 하여야 용질의 회수량이 많다.)

- 마지막 단계에서 결정을 말리기 쉽도록 용매의 끓는점이 낮아야 한다. 

- 용질의 녹는점보다 용매의 끓는점이 낮아야 한다.

- 용매는 정제하고자 하는 물질과 화학적으로 반응하지 않아야 한다. 

ㄴ. 용해 재결정법의 일반적 순서

- 적당한 용매 선택

- 정제하고자 하는 몰분율 용매의 끓는점이나 그 근처의 온도에서 용해시킴

- 온도를 낮추면서 결정을 형성시킴

- 표면에 떠오르는 용액으로부터 결정을 거름

- 묻은 용액을 제거하기 위해 용매로 씻음

- 결정 말리기

ㄷ. 재결정 과정

a. 탈색 

재결정시 용액이 색을 띠는 경우 이 용액 속에 존재하는 소량의 불순물을 제거하기 위해 다공성의 활성탄소를 첨가함으로써 불순물이 활성탄소에 흡착되도록 한다. 

b. 더운 여과

결정을 용액에 용해하였을 때, 녹지 않는 고체형태의 불순물을 제거하기 위해 중력여과 방식을 사용한다. 

c. 결정화

뜨거운 용액을 거른 후 이 용액을 실온에 방치하여 천천히 식게 한다. 급하게 식히면 작은 결정만이 생기기 때문이다. 

d. 차가운 여과 

- 중력여과

다른 장치의 설치 없이 깔때기에 여과지를 접어서 여과액을 부으며 중력에 의해 여과가 되어지는 것

- 감압여과

결정과 차가운 혼합물을 부흐너(buchner) 깔때기와 aspirator에 연결된 vacuum filter flask를 사용하여 감압여과 방법으로 여과하는 것

e. 결정의 세척

세척에 사용할 용매는 결정에 대해 용해도가 적은 것을 사용해야 하며 세척 전에 먼저 차가운 상태로 유지해야 한다. 

f. 결정의 건조

- 대기 중에서 건조하는 방법 

먼저 aspirator로 용매를 증발시킨 후 깨끗한 시계접시로 옮긴 후 후드 내에서 완전히 말린다. 

- oven 사용 건조 방법

결정의 녹는점보다 20℃아래가 되도록 건조기 온도를 유지시켜 건조함

- 감압에 의한 건조방법 

진공 건조기나 진공 데시케이터, 진공 플라스크 등을 사용할 수 있는데 이러한 방법은 기압이 낮아지면 용매의 기화점이 낮아지는 원리를 이용한 것으로 열에 대한 분해가 쉽게 일어나거나 대기압하에서 쉽게 승화하여 결정 등을 건조시킬 때 이용

4. 실험과정

1. 미지의 혼합물 3g을 100mL beaker에 취한 후, 10mL의 증류수를 첨가하고 완전히 용해될 때까지 가열한다. 

2. 용액에 활성탄을 소량(시약 1/2스푼정도) 넣고 용액을 약 5분간 가열한다.

3. 접은 여과지와 funnel을 이용해서 여과한다.(이때 결정이 생겨서는 안 된다.)

4. 여과된 용액을 Erlenmeyer flask 내에서 냉각시켜서 결정을 형성

5. suction 장치를 써서 강압 여과한다. 

6. 결정 색깔 확인, 결정을 watch glass에 옮겨 oven에서 10분간 건조하고 질량을 측정해서 목적물질의 weight %를 구한다. 

5. 참고 문헌

1. 일반화학: 전북대 화학교실 저, 교학사 p.147~153

2. 화학: 이본수 외 4명 공저, 형설 출판사 p.174