끓는점 차이를 이용한 혼합물의 분리

안녕하세요.

제주도에서 중·고등학생을 대상으로 개인&그룹 과학수업을 하고 있는 달빛과학 입니다.

오늘은 '술' 이야기를 하면서 시작해보겠습니다.

(학생 여러분은 가벼운 마음으로 보아주세요. 죄송합니다.)

다른 지방과 마찬가지로 제가 살고 있는 제주에도 전통주가 있습니다.

바로 '고소리술'입니다.

(이미지 출처: '제주샘酒' 홈페이지 http://www.jejusaemju.co.kr)

설명을 읽어보면 소주 내리는 기구를 '소줏고리'라고 하는데, 이 기구를 제주 사투리로 '고소리'라고 부른다고 합니다. 소줏고리를 통해 만든 제주 전통주가 바로 '고소리술' 입니다.

제가 왜 고소리술 소개로 학습자료 발행을 시작했냐면 바로 '소줏고리의 원리'가 이번 시간에 배울 '증류'의 방법 중 하나이기 때문입니다.

그렇다면 소줏고리는 어떤 구조와 원리를 가지고 있을까요?

그림을 한 번 같이 보겠습니다.

(이미지 출처: '이지민 님' 네이버 블로그 http://blog.naver.com/prnprn/220470395579) 

소줏고리의 아래짝에 곡물(쌀, 보리, 좁쌀)을 발효시켜 만든 술(막걸리 같은..)을 넣은뒤 솥에 걸어서 불을 지펴줍니다. 그러면 아래짝에 있던 성분들 중에 끓는점이 낮은 에탄올 성분만 끓어서 기체가 되어 소줏고리 위짝으로 올라오고, 냉각수가 담긴 그릇 밑에서 다시 액화되어 모여서 잘록한 허리 부분에 있는 출구로 모이게 됩니다. 굉장히 깨끗한 술을 얻을 수 있겠죠.

이렇게 액체 상태 혼합물을 가열해서 끓어 나오는 기체를 다시 냉각해서 순수한 액체를 얻는 방법을 바로 '증류(蒸溜)'라고 합니다. '고소리술' 같은 술을 그래서 '증류주(酒)'라고 부릅니다.

▶ 증류 [蒸溜, distillation]

- 한자 뜻 풀이: 찌다, 데우다 蒸, 떨어지는 물 溜

- 용액을 끓는점까지 가열하여 나오는 증기를 냉각해서 순수한 액체를 얻는 과정

이번 시간에는 끓는점 차를 이용해서 혼합물을 분리하는 방법에 대해서 알아볼게요.

끓는점에 대해서 먼저 읽어보시고 이번 자료를 공부해주세요.

● 물질의 특성 - 끓는점, 녹는점, 어는점

*** 분별증류 [fractional distillation, 分別蒸溜]

■ 분별증류란?

물과 에탄올 처럼 서로 잘 섞여 있는 액체혼합물을 끓는점 차이를 이용해 분리하는 방법입니다. 그렇기 때문에 끓는점에 대해서 잘 알고 분별증류에 대해서 공부하시는 게 좋습니다.

■ 분별 증류 장치

간단한 분별 증류 장치를 살펴보겠습니다.

각 실험 장치의 위치와 원리에 대해서 정확하게 파악해두셔야 합니다.

리비히 냉각기에 대한 설명은 두산백과 링크를 클릭해서 한 번 읽어보시길 추천드려요.

● [두산백과] 리비히 냉각기 (클릭)

■ 분별 증류 장치의 원리

둥근바닥플라스크에 물과 에탄올이 섞인 혼합물 용액을 넣고 가열을 합니다.

그러면 끓는점이 낮은 에탄올이 먼저 끓어서 기체가 되어 분별증류관을 통과하겠죠.

이때 분별증류관 위에 달린 온도계로 온도 측정을 합니다.

기체가 되어 분별증류관을 통과한 에탄올 기체는 위에 달린 유리관을 따라 냉각기로 가게됩니다.

찬물로 둘러쌓인 냉각기의 유리관을 통과하면서 에탄올 기체는 액체로 상태변화를 합니다.

마지막으로 삼각플라스크에는 순수한 액체 에탄올이 모이게 됩니다.

■ 실험 장치 Point

분별 증류 장치에서 여러분이 꼭 알아두어야할 포인트가 4가지 있습니다.

그림에 'P1, P2, P3, P4'로 표시를 해두었으니 같이 보시길 바랍니다.

▶ Point1 - 끓임쪽을 넣는 이유

액체가 갑자기 끓어오르는 것을 방지합니다.

▶ Point2 - 유리관 도막을 넣는 이유

여러 번 증류되는 효과가 있습니다.

에탄올이 끓어 기체가 되어 분별증류관으로 올라올 때 아주 소량의 물 분자가 에탄올 분자와 분리되지 않고 올라올 수 있는데요, 온도가 낮은 유리관 도막에 닿으면 끓는점이 높은 물 분자는 다시 액화되어 떨어지게 됩니다. 그래서 순수하게 에탄올 기체만 분별 증류관을 통과하게 되겠지요.

▶ Point3 - 온도계의 위치

온도계의 밑부분이 분별 증류관에서 나가는 유리관 가지 쪽에 오도록 장치해야 합니다.

그래야 정확한 기체의 온도를 측정할 수 있습니다.

▶ Point4 - 물을 넣는 방향

리비히 냉각기에 찬물을 넣는 방향은 아래쪽 → 위쪽 입니다.

그 이유는 아래쪽에서 찬물을 넣어줘야 리비히 냉각기를 가득 채울 수 있겠지요.

만약 위에서 물을 넣으면 아래쪽으로 물이 계속 흘러나가게 됩니다.

*** 끓는점 차이를 이용한 여러가지 혼합물의 분리

■ 물 + 에탄올 혼합물의 분리

위에서 보았던 분별 증류 장치를 사용해 물과 에탄올 혼합물을 가열하면 끓는점이 낮은 에탄올이 약 78℃에서 먼저 끓어 나오고, 끓는점이 높은 물이 100℃에서 나중에 끓어나오게 됩니다.

가열 곡선 그래프를 살펴볼까요?

▶ 1번 구간

물과 에탄올 혼합물의 온도가 상승합니다.

▶ 2번 구간

약 78℃가 되면 에탄올이 끓어 기화되기 시작합니다.

혼합물이기 때문에 끓는 동안에도 온도가 조금씩 올라갑니다.

▶ 3번 구간

에탄올의 기화가 끝나면 다시 혼합물의 온도가 올라갑니다.

이때 아직 끓어나오지 못한 약간의 에탄올이 물과 함께 기화되어 나옵니다.

분별 증류관에 들어있는 유리도막이 물은 다시 액화 시키고, 에탄올 기체는 통과시킵니다.

▶ 4번 구간

100℃가 되어 물이 끓어나옵니다.

이때는 에탄올이 섞이지 않은 순수한 물이기 때문에 온도가 유지됩니다.

■ 원유의 분리

원유는 땅속에서 뽑아낸 가공하기 전 자연상태의 기름을 말합니다.

원유에는 우리가 다양한 목적으로 사용할 수 있는 여러 종류의 연료가 혼합되어 있습니다.

이 연료들을 끓는점 차이를 이용하여 분류합니다.

방법은 원유를 높은 온도로 가열하여 증류탑으로 보내면 끓는점이 높은 물질은 아래쪽에서, 낮은 물질은 위쪽에서 분리됩니다.

이유는 끓는점이 낮은 물질은 기체가 되어 위로 올라가고, 끓는점이 높은 물질은 식어서 바닥에 모이고 다시 끓기를 반복하기 때문입니다.

증류탑의 그림을 보겠습니다.

분리되는 순서를 알아두면 더 좋겠네요.

▶ 석유 가스

뷰테인이나 프로페인 같은 석유가스가 분리됩니다.

휴대용이나 가정용 연료로 사용되지요.

▶ 휘발유

휘발유 자동차 연료로 사용됩니다.

▶ 등유

항공기 연료로 사용됩니다.

▶ 경유

경유 자동차의 연료로 사용되지요.

▶ 중유

중유는 선박(배)의 연료로 주로 사용됩니다.

▶ 찌꺼기

아스팔트 같은 물질들이 가장 아래에서 분리됩니다.

도로 포장재로 쓰이죠.

물질의 특성이 되는 끓는점과, 끓는점을 이용한 혼합물의 분리에 대해서 알아봤습니다.

「V. 물질의 특성」단원은 이렇게 물질의 특성과 그 특성을 이용한 분리 방법을 연결시켜서 공부하면 수월하게 이해할 수 있습니다.

다음 시간에는 또다른 물질의 특성이 되는 '밀도'라는 성질에 대해서 알아볼게요.

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