용액 3강 : 분별증류 문제 풀이

지난 강의에서 분별 증류 개념을 공부했다. ( https://study-all-night.tistory.com/52 )

 

이번에는 이를 이용하여 문제를 같이 풀어보자.

 

문제 1) 그림은 일정 온도에서 두 가지 액체 A와 B의 혼합 용액에서 증기 압력과 몰분율 관계를 나타내는 그래프이다.

(1) 그래프의 영역 (가)와 (나)는 어떤 상을 뜻하는지 쓰시오.

 

(2) 그래프에서 점 a의 압력보다 계에 작용하는 외부 압력을 낮추면 어떤 결과를 관찰할 수 있는지 쓰시오.

 

(3) 점 a의 액체와 평형을 이루는 증기의 몰분율을 구하시오.

 

(4) 그래프를 이용하여 분별 증류의 원리를 설명하시오.

 

풀이)

 

(1) 답) (가) - 액체(혼합물), (나) - 기체(혼합물)

 압력 높은 상태에서는 액체상태일 때가 기체 상태일때보다 안정하므로 (가)의 경우 액체라는 것을 알 수 있다.

반대로 압력이 낮은 상태에서는 기체상태가 더욱 안정하므로 (나)는 기체가 된다.

 

(2) 답) 증발한다.

 점 a상태에서 외부 압력을 낮춘다는 의미는 혼합 용액의 증기압력 보다 외부 압력이 낮아지므로 '증발'을 의미한다.

 

(3) 답) 그래프 참고

(4) 답) A의 몰분율 Xa인 홉합 용액에 가해주는 압력을 낮추어 a에 이르면 끓는다. 이 용액과 동적 평형을 이루는 증기는 b이고, 이 혼합 증기에 압력을 가해 응축하여 b가 되었을 때 생기는 응축액에서 A의 몰분율은 Xa에서 Ya로 높아진다. 이러한 증발 응축과정을 반복하면 순수한 A를 얻을 수 있다.

문제 2) 그림은 일정 압력에서 두 가지 액체 A와 B의 혼합 용액에서 증기 압력과 몰분율 관계를 나타내는 그래프이다.

(1) 그래프의 영역 (가)와 (나)는 어떤 상을 뜻하는지 쓰시오.

 

(2) A의 몰분율 Z1인 혼합 용액과 평형을 이루는 증기의 몰분율을 구하시오.

 

(3) 그래프를 이용하여 분별 증류의 원리를 설명하시오.

 

풀이)

 

(1) 답) (가) - 기체(혼합물), (나) - 액체(혼합물)

 온도가 높은 상태에서는 기체가 액체보다 안정하므로 (가)는 기체 이고

반대로 온도가 낮은 상태에서는 액체가 기체보다 안정하므로 (나)는 액체이다.

 

(2) 답) Z2

 평형을 이루는 증기의 몰분율은 아래 그림과 같이 구할 수 있다.

 

(3) 답) A의 몰분율 Z1인 혼합 용액을 가열하여 a에 이르면 끓는다. 이 용액과 동적 평형을 이루는 증기는 a'이고, 이 혼합 증기를 응축하여 b가 되었을 때 생기는 응축액에서 A의 몰분율은 Z2로 높아진다. 이런 증발과 응축 과정을 반복하면 순수한 A를 증류탑에서 얻을 수 있다.

이번 강의에서는 간단한 예제들을 같이 풀어보았다.

 

다음시간에는 심화 문제를 해결해보자.