1. 증류의 원리

끓는점이 서로 다른 액체 혼합물을 가열하여 증발, 응축을 반복하면 기상에서는 휘발성이 큰 물질이 모아지고, 액상에서는 휘발성이 작은 물질이 모아진다. 이와 같이 증발, 응축을 반복함으로써 끓는점이 서로 다른 액체 혼합물을 순수한 성분으로 분리하는 조작을 증류(distillation)라 한다.

 

2. 상압 증류

대기 중에서 가열할 때 액체의 증기압이 대기압(760mmHg)과 같게 되면 증류 현상이 일어나는데, 이와 같은 대기압에서의 증류를 상압 증류라 한다. 이 증류 방법은 가지 달린 플라스크에 ½ ~ ⅓정도의 증류액과 비등석을 넣고 그림1과 같은 장치를 꾸민다.

그림 1 상압 증류 장치

냉각기는 일반적으로 리이비히 냉각기를 사용하는 데, 100℃ 정도에서는 비교적 짧은 냉각기를 쓰고, 100℃ 이상의 온도에서는 긴 냉각기를 사용하여 찬물을 흐르게 한다.

플라스크 마개에 끼우는 온도계는 미리 교정된 온도계를 사용하고, 유출액은 어댑터를 사용하여 삼각 플라스크에 받는다.

가열 방법은 끓는점이 90℃ 이하인 것에는 중탕 남비를 쓰고, 100℃ 이상일 때에는 기름 중탕(oil bath)를 쓰며, 증류 속도는 1 ~ 2초 사이에 한 방울씩 유출되도록 조절한다.

 

3. 감압 증류(진공 증류)

대부분의 유기 화합물은 높은 온도로 끓이면 분해하거나 산화한다. 또, 매우 높은 온도에서 증류되는 물질은 상압 증류로는 증류가 되지 않는다. 그래서, 이러한 경우 증류 조작은 1기압보다 낮은 압력에서 한다.

감압 증류를 진공 증류(vacuum distillation)라고도 하는데, 진공 증류 조작에서는 애스피레이터나 진공 펌프를 사용한다.

그림 2는 감압 증류 장치를 나타낸 것이다.

그림 2 감압 증류 장치

 

4. 수증기 증류

물에 용해하지 않는 휘발성 액체를 상압 증류법으로 증류하려면 분해할 때 수증기 증류법을 사용한다.

그림 3과 같이, 증류하려는 물질과 물을 넣은 플라스크를 가열하면서 여기에 수증기를 불어 넣으면 증류하려는 물질과 수증기가 함께 냉각기를 통과하는 응축된다. 이것을 분액 깔대기로 분리하면 혼합물을 분리, 정제할 수 있다.

수증기 증류의 원리는 물에 용해되지 않는 휘발성 액체 혼합물의 증기압과 물의 증기압을 합한 압력이 1기압(대기압)에 이르면 증류가 시작된다. 즉, 끓는점이 높은 물질을 그 물질의 끓는점보다 낮은 온도에서 증발할 수 있다. 보기를 들면, 아닐린(b.p 184℃)은 100℃ 이하에서 수증기 증류를 할 수 있다.

그림 3 수증기 증류 장치

5. 분별 증류

두 가지 이상의 액체가 섞어 있는 혼합물을 가열하면 끓는점이 낮은 성분이 먼저 증류되어 나오고, 다음에 끓는점이 높은 성분이 증류되어 나온다. 이 때, 시간에 따른 온도의 변화를 그래프로 그려 보면, 한 가지 성분이 증류되어 나오는 동안은 온도가 거의 변하지 않고, 그래프에서 편평한 부분으로 나타난다.

혼합되어 있는 각 성분 물질의 끓는점의 차이가 크면 한 번의 증류로 각 성분을 분리할 수 있으나, 끓는점 차이가 작을 때에는 한 성분 쪽에 다른 성분의 일부가 혼합되기 쉽다.

그러므로, 증류를 할 때 온도가 일정하게 유지되는 동안에 증류되어 나오는 부분만을 모은다. 이와 같이 용액을 끓일 때 나오는 증기를 끓는점에 따라 물질을 분리하는 방법을 분별 증류라 한다.

혼합물의 끓는점의 차이가 작을 때에는 온도, 시간의 그래프에 편평한 부분이 나타나지 않을 때가 많다. 이런 때에는 온도 구간을 몇 개의 부분으로 나누고 각 온도 구간에서 나오는 증류액을 받은 후, 각 부분을 다시 조심스럽게 증류하여 순수한 성분으로 나눌 수 있다.

그림 4 분별 증류 장치

6. 증류에 쓰이는 기구

1) 증류기

증류에는 가지 달린 플라스크를 가장 많이 쓰고 있다. 감압 증류에는 클라이젠(Claisen) 플라스크와 후우벤(Houben) 플라스크를 쓴다.

증류 물질이 굳어지는 증류 조작에는 안쉬쯔(Anschȕtz) 플라스크와 무엔케(Muenke) 플라스크를 쓰고, 질소산을 분해하여 암모니아를 증류할 때에는 켈다알(Kjeldahl) 플라스크를 쓴다.

그림 5는 증류 조작에 쓰이는 플라스크를 나타낸 것이다.

(a) 안쉬쯔 플라스크 (b) 무엔케 플라스크 (c) 클라이젠 플라스크 (e)후우벤 플라스크

그림 5  증류 플라스크의 종류

2) 분류관

분류관은 증류 플라스크에서 발생한 증기를 응축시키는 역할을 한다.

분류관의 종류에는 골로데츠(Golodetz), 티히빈스키(Tichwinski), 노오턴-오튼(Norton-Otten), 뷔르쯔 등이 있다.

(a)골로데츠 (b) 티히빈스키(c) 노오턴-오튼 (d) 뷔르츠

그림 6 분류관의 종류