중2과학 6단원 혼합물의 분리- <끓는점차>
혼합물은 두 가지 이상의 물질이 섞인 물질이죠. 혼합물에 섞인 물질을 하나씩 분리하는 방법을 우리는 공부하고 있습니다. 혼합물을 분리하기 위해서는 물질의 특성을 알아야 하고, 물질의 특성에 맞게 분리를 하면 되는데요, 앞에 올린 밀도차를 이용하여 분리하는 방법을 배웠다면, 이번에는 끓는점차를 이용한 방법에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
끓는점차를 이용한 혼합물의 분리
혼합물은 여러가지 물질이 섞인 물질이죠. 분리라는 것은 말 그대로 혼합물에 들어 있는 물질을 각각 분리하는 것을 말하죠. 예를 들면 물질 A와 B가 섞인 혼합물에서 A와 B를 각각 분리하는 것을 말합니다.
끓는점차를 이용하여 혼합물을 분리할 때 조건 있습니다.
끓는점차를 이용한 혼합물의 분리에서 조건
모든 혼합물을 끓는점차를 이용하여 분리를 하면 좋겠지만, 가능하지 않습니다. 왜? 끓는점차를 이용하는 방법보다 더 쉬운 방법이 있을 수 있기 때문이죠. 예를 들면 두 물질이 섞인 용액이 있는데, 두 물질이 서로 섞이지 않고 층을 이루어 있다면 굳이 끓는점차를 이용하여 분리할 필요가 없죠. 밀도차를 이용하여 쉽게 분리를 할 수 있기 때문입니다.
이처럼 끓는점차를 이용하여 분리하기 위해서는 어떤 조건이 있어야 할까요?
1. 두 물질이 서로 잘 섞인 용액이어야 한다는 것이죠. 예를 들면 물과 알코올처럼 말이에요. 물과 기름은 섞으면 기름이 물 위에 뜨죠. 이렇게 층이 분리가 된 경우는 말고 잘 섞인 용액을 말합니다.
2. 두 물질의 끓는점 차가 커야 잘 분리가 됩니다. 예를 들면 물질 A와 B가 섞인 용액에서 A의 끓는점차가 50 ℃이고, B의 끓는점이 55 ℃일 때 두 물질을 끓이면 끓는점이 비슷하기 때문에 두 물질이 같이 나올 수 있습니다. 왜? 혼합물이 되면 끓는점이 낮은 A가 먼저 나오지만, A가 기체가 될 때 B가 방해를 하기 때문에 끓는점이 살짝 올라갈 수 있습니다. 그러면 B도 끓는점에 도달할 수 있어서 같이 나올 수 있죠. 그렇기 때문에 끓는점차를 이용하여 혼합물을 분리할 때는 끓는점차가 크면 훨씬 좋습니다.
끓는점차를 이용한 혼합물의 분리 - 증류
끓는점차를 이용한 혼합물의 분리 방법 첫 번째는 증류입니다. 증류는 액체 상태의 혼합물을 가열할 때 끓어 나오는 기체를 냉각하여 순수한 액체물질을 얻는 방법입니다. 혼합물에 여러가지가 섞여 있어도 우리가 원하는 한 가지 물질만 얻는 방법이라고 보시면 됩니다.
바닷물에서 식수 얻는 방법
증류의 첫 번째는 바닷물에서 식수를 얻는 방법이죠. 바닷물에는 물외에 여러가지가 섞인 혼합물입니다. 바닷물에서 식수를 얻는 방법도 증류를 이용한 방법입니다. 바닷물에서 식수를 얻는 방법은 다양하죠. 원리는 다 같아요. 햇빛을 이용하여 바닷물을 증발시키면 물이 기체가 되어 위로 올라가는데 기체를 모아서 다시 액체로 만드는 원리를 이용합니다.
그림에서 바닷물을 모으고 햇빛을 비추면 바닷물에서 물이 증발되죠. 이 증발되는 것을 위쪽에 비닐을 이용하여 모아서 식수를 얻을 수 있습니다.
소줏고리
소줏고리는 곡물로 발효시킨 술에서 맑은 소주를 얻는 도구를 말합니다. 우리 선조들이 사용했던 도구입니다.
그림에서 곡물을 발효시켜 만든 술을 탁주라고 합니다. 탁주를 끓이면 끓는점이 낮은 에탄올이 끓게 됩니다. 에탄올(알코올입니다.)이 끓어 나오는데, 물도 같이 증발이 되기 때문에 순수한 에탄올은 아니에요.
끓는점차를 이용한 혼합물의 분리 - 분별증류
증류는 혼합물에서 한 종류의 물질을 얻는 방법이라면 분별증류는 증류를 여러 번 일어나게 하여 액체 혼합물에 섞여 있는 여러 가지 물질을 각각 분리하는 방법입니다. 여러 번 증류를 하기 때문에 물질의 끓는점차가 크지 않아도 분리할 수 있습니다.
분별증류장치
분별증류장치은 증류를 여러 번 일어나게 하는 장치입니다.
그림에서 액체 혼합물을 플라스크에 넣고 끓이면 끓는점이 낮은 물질부터 끓어 나오게 되죠. 근데, 유리관 도막에 끓는점이 낮은 물질이 부딪히고 다시 액화가 되어 떨어지는 효과가 있어서 여러 번 증류가 되죠. 이런 과정을 거치면서 냉각기에 들어간 기체는 바깥에 흐르는 액체(주로 물)로 냉각이 되면서 삼각플라스크에 모이게 됩니다. 이때 냉각기 바깥쪽에 흐르는 물의 위치는 아래쪽에서 들어간 다음 위쪽으로 나오게 한다는 것 만약 반대로 하면 위쪽에 모인 기체가 갑자기 액화가 되면서 냉각기가 깨질 수 있기 때문에 반드시 아래쪽에서 물이 들어간 다음 위쪽으로 물이 나오도록 해야 합니다.
원유의 분별증류
원유는 우리가 사용하는 석유(휘발유, 등유)를 얻기 전 땅속에 묻힌 상태를 말합니다. 유전에서 원유를 얻으면 바로 사용하는 것이 아니고, 원유를 우리가 사용할 수 있는 여러 가지 물질(가스, 휘발유, 등유등)로 분리를 해야 합니다. 이때 사용하는 탑을 분별증류탑이라고 하죠.
원유를 증류탑에 넣고 가열을 하면 끓는점이 낮은 물질이 위로 올라가게 되죠. 그러므로 맨 위쪽에서 가장 먼저 얻게 되고, 맨 아래쪽에 있는 물질이 가장 나중에 얻게 됩니다.
증류탑을 이용하면 증류가 여러 번 일어나기 때문에 많은 양의 원유를 한 번에 분리할 수 있습니다.
물과 에탄올 분별증류
물과 에탄올이 섞인 액체 혼합물을 분별증류장치를 이용하여 분리를 하게 되면 끓는점이 낮은 에탄올이 먼저 끓어 나오게 되고, 물이 마지막에 나오게 됩니다. 물과 에탄올의 가열곡선은 다음과 같아요.
그래프에서 끓는점이 낮은 물질이 먼저 나오는데, 끓는점은 일정해야 하죠. 하지만, 에탄올의 끓는점이 일정하지 않는 이유는 에탄올이 끓을 때 에탄올 주변에 있는 물분자들이 방해를 하여 끓는점이 조금 올라가기 때문입니다. 보통 ㄴ에서 주로 에탄올이 나오고 ㄹ에서는 물이 끓어 나오는데, ㄷ에서는 ㄴ에서 나오지 못한 에탄올과 물이 조금 섞인 상태로 나올 수 있습니다.
기체 혼합물의 분리
기체 혼합물도 끓는점차를 이용하여 분리를 할 수 있습니다. 기체는 온도를 높이는 것이 아니라, 냉각시켜서 액화를 만듭니다. 기체가 액화가 될 때 분리하는 것인데요~
그림에 뷰테인과 프로페인이 혼합한 기체를 소금이 섞인 얼음에 담가두면 끓는점이 높은 물질부터 액화가 되기 시작합니다. 액체 혼합물에서는 끓는점이 낮은 물질부터 기체가 되는데, 기체 혼합물에서는 끓는점이 높은 물질부터 액화가 되죠. 왜? 뷰테인의 끓는점은 영하 0.5℃, 프로페인의 끓는점은 영하 42.1 ℃입니다. 따라서 냉각시키면 온도가 내려가면서 끓는점이 높은 물질부터 액화가 되기 때문입니다. 이해가 되시나요? 얼음에 소금은 넣어준 이유는 얼음의 온도를 더 낮출 수 있기 때문입니다.
이상 끓는점차를 이용한 혼합물의 분리에 대해서 알아봤습니다. 여러분에게 많은 도움이 되었으면 합니다.