18. 혼합물의 분리

1. 증류: 끓는 점 차이를 이용한 분리

지난 시간에는 물질의 특성에 대해서 다루었다. 순물질이 두 종류 이상 섞여 있는 것을 혼합물이라 하는데, 우리는 상황에 따라 이러한 혼합물을 각각의 순물질로 '분리'해야 하는 경우가 생긴다. 이러한 경우에 물질 각각의 고유한 특성은 문제를 해결하는 데 결정적인 도움을 줄 수 있다.

먼저 끓는 점 차이를 이용한 분리를 생각해 보자. 섞여 있는 두 물질 간의 끓는 점이 꽤 많이 차이난다면, 혼합물을 가열하는 과정에서 순차적으로 끓어 나오게 될 것이다. 이러한 방식의 분리를 '증류(distillation)'법이라고 한다.

석유의 분별증류를 위한 증류탑

석유의 원시적 형태인 원유(crude oil)는 여러 가지 산업에 사용되기에 적합하지 않다. 따라서, 이를 분리해주어야 하는데, 대표적으로 증류를 이용하는 예시라고 볼 수 있다. 예컨데, 원유에 들어 있는 다양한 석유 혼합물 중 석유 가스의 경우, -42도에서 -1도 이내의 끓는점을 가지는데, 따라서 제일 먼저 끓어 나오게 되어 증류탑의 꼭대기에서 분리되게 된다.

2. 밀도 차를 이용한 분리

한편 밀도가 다른 혼합물의 경우도 분리할 수가 있다. 크게 고체와 액체로 나누어서 생각해 보자. 먼저 고체 혼합물의 경우, 먼저 두 물질의 밀도 차이가 꽤 크다고 가정해 보자. 이때, 두 물질의 중간 정도의 밀도를 가진 액체를 가지고 있다면 충분하다. 이 액체 속에 다른 두 고체 혼합물을 넣게 되면, 밀도 차에 의해 밀도가 작은 물질은 위로, 밀도가 큰 물질은 아래로 내려앉게 된다.

밀도차를 이용한 분리의 예시 - 출처: 비상교육

다음으로는 액체 물질의 분리이다. 밀도가 다르며, 서로 섞이지 않는 두 물질은 층상 구조를 이루게 된다. 이때 이를 분별 깔대기를 통해 분리할 수 있다. 분별 깔대기의 모양은 아래와 같다.

분별 깔대기 - 출처: 비상교육

이러한 분별 깔대기에 층이 분리된 물질을 넣고, 아래쪽의 꼭지를 열어 아래와 위를 분리한다. 이때, 층의 경계면의 경우 미세한 분리가 어려울 수 있으므로, 따로 받아두어야 한다.

3. 재결정: 용해도 차를 이용한 분리

한편, 용해도 차이를 이용하여 두 물질을 분리할 수도 있는데, 이를 재결정법 이라고 한다. 두 물질의 용해도 차이가 큰 경우, 온도를 냉각시켰을 때 한 물질은 석출되는 반면, 다른 물질은 여전히 포화되어 있는 경우가 있다. 이 경우에 물질을 효과적으로 분리시킬 수 있다.

황산구리와 질산칼륨의 용해도 - 출처: 비상교육

위 그래프를 예시로 들어 보자. 편의상 질산 칼륨을 40g, 황산 구리(II)를 10g 넣어 80도에서 물 100g에 용해시켰다고 가정해 보자. 이후 20도로 온도를 냉각시켰다. 이때, 각 물질의 용해도를 보면 질산 칼륨은 20도에서 31.9, 황산 구리(II)는 20.0이다. 따라서 10g밖에 넣지 않은 황산 구리(II)의 경우 여전히 불포화 상태를 유지하고 있지만, 용해도가 31.9인 질산 칼륨의 경우 그 차이인 8.1g만큼이 석출되어야 한다.

 

4. 크로마토그래피: 성분 물질의 속도를 이용한 분리

마지막으로 소개할 혼합물의 분리 방법은 바로 크로마토그래피이다. 사실 크로마토그래피는 연구 환경에서 정말 많이 사용하는 기구라 설명할 내용이 많으나, 교육과정상 이를 많이 다루고 있지 않으므로 간단한 원리에 대해서만 기술하도록 한다.

크로마토그래피 결과 - 출처: 비상교육

모든 사람들이 달리기 속도가 다르듯이, 혼합물 속의 각 물질도 용매 내에서 달리는 속도가 다르다. 이 차이를 이용한 분리법이 바로 크로마토그래피 이다. 위 그림을 보면 이해가 쉬울 것이다. A~E까지의 다섯 가지 점을 동일 용매 위에서 이동시켰다.

A, C, E 에서 보면 단 하나의 점이 이동하고 있음을 알 수 있는데, 이를 통해 이 세 가지 물질은 순물질임을 알 수가 있다. 한편, B와 D를 자세히 보자. B의 경우 A와 C, 두 가지 물질과 같은 선상에서 달리는 점이 있다. 이를 통해 우리는 B가 A와 C의 혼합물임을 알 수 있게 되는 것이다. 반면, D의 경우 C와 E의 혼합물이 되겠다.

이러한 크로마토그래피를 사용할 때는 몇 가지 주의사항이 있다. 먼저 첫 점을 같은 곳에 찍게 되는데, 이때 용매가 이 점을 넘어가게 담그면 안된다. 바닥에 적셔져 위로 올라가는 방식으로 진행해야 한다. 또한, 용매가 기화되는 경우 원하는 실험 결과를 얻기 어렵기 때문에, 뚜껑을 반드시 밀폐하여 용매의 기화를 방지하여야 한다.

Edited. 21.10.01