개념 한 쪽
수증기증류는 물의 증기를 함께 통과시켜 혼합물의 유효 끓는점을 낮추어 고비점 물질을 낮은 온도에서 증류하게 하는 방법이다. 고온에서 분해되기 쉬운 물질을 분리할 때 적합한 공정으로 판단한다.
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출제기준 단원 「수증기증류」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 고비점 물질 분리법 판정 | 1 | 열에 약한 고비점 물질에 적합한 증류법을 고르기 |
| 환류비·수지 계산 응용 | 1 | 환류비 정의로부터 증기량·유량을 계산하기 |
| 이상용액 평형 계산 | 1 | 주어진 증기압으로 액상 몰분율을 계산하기 |
수증기증류는 물과 함께 증류하여 전체 혼합물의 끓는점을 낮추는 원리로 작동한다. 이 방식은 원래의 높은 끓는점까지 가열하지 않아도 증발시키므로 열에 약해 고온에서 분해되는 물질을 보호하면서 분리할 수 있다.
수증기증류는 공비 혼합물 분리용 특수 증류법과는 목적이 다르다. 공비 혼합물 분리는 주로 추출증류나 특수 용매 첨가 등으로 상대휘발도를 변화시켜 해결하는 반면, 수증기증류는 주로 열분해 방지를 위해 사용된다.
증류법 선택 문제는 물질의 끓는점, 열안정성 및 분리 목적을 먼저 확인하면 해결하기 쉽다. 열에 약한 고비점 물질에는 수증기증류를, 공비 문제에는 추출증류나 용매 첨가법을 선택해야 한다.
간단한 암기 요령으로는 '열에 약하면 수증기증류, 공비는 용매로 해결'로 구분하면 오답을 피하기 쉽다.
문제 유형: 중질유 같이 끓는점이 매우 높고 가열 시 분해되기 쉬운 물질의 분리 방법을 묻는 경우, 수증기증류가 적절하다고 판정한다. 수증기증류는 물의 증기를 통과시켜 혼합물의 끓는점을 낮추므로 원래의 고온까지 가열하지 않고도 증류를 수행하여 분해를 방지한다.
반대 예시: 공비혼합물 분리 목적이라면 첨가제로 특정 성분의 증기분압을 낮추는 추출증류나 특수용매 첨가법을 선택해야 하며, 이때 수증기증류는 목적에 맞지 않음을 근거로 오답을 소거한다.
최고공비혼합물에 대한 설명으로 틀린 것은?
정답 ① · 최고공비혼합물(Maximum boiling azeotrope)은 동종 분자 간의 인력보다 이종 분자 간의 인력이 더 강하여 형성됩니다. 이로 인해 증기압이 라울트의 법칙(이상용액)보다 낮게 나타나며(음의 편차), 활동도 계수가 1보다 작게 됩니다.
최고공비혼합물은 이종분자간 인력이 강해 증기압이 낮고 휘발도가 떨어지므로, '높다'는 서술이 오답이다.
증류탑에서 환류비를 나타내는 식으로 옳지 않은 것은? (단, RD, RV 는 환류비, L 은 농축부 강하액량, D 는 탑상부 제품량, V 는 탑내 농축부 상승증기량이다.)
정답 ④ · 환류비는 증류탑 농축부에서의 액체 환류량과 생성물량의 비율을 나타냅니다. 일반적으로 사용되는 외부 환류비 RD는 L/D로 표현되며, 내부 환류비 RV는 L/(L+D) 또는 L/V로 나타냅니다.
내부 환류비 RV는 환류액량 L을 상승증기량 V로 나눈 값(L/V)이므로, D/V는 틀린 식이다.
70℃, 1atm에서 에탄올과 메탄올의 혼합물이 액상과 기상의 평형을 이루고 있을 때 액상의 메탄올의 몰분율은? (단, 이 혼합물은 이상용액으로 가정하며, 70℃에서 순수한 에탄올과 메탄올의 증기압은 각각 543mmHg, 857mmHg이다.
정답 ③ · 문제는 라울의 법칙과 전체 압력 관계를 이용해 액상의 몰분율을 구하는 역산 문제이다. 전체압력 760 mmHg = 543(1-x) + 857 x 를 풀면 760 = 543 + 314 x 이므로 314 x = 217, 따라서 x ≈ 0.69가 된다.
라울의 법칙과 다التンの 법칙을 적용하여 기상의 몰분율을 구한 후, 전체 몰수 비례를 통해 액상의 몰분율을 역산한다.
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