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  에스테르 반응 문의
  글쓴이 : jena   고유ID : bgwrite     날짜 : 18-07-05 21:52     조회 : 3901    
안녕하세요, 에스테르 반응에 대해 공부하다가 너무 궁금하기에 문의드립니다.

가장 기본적인 에탄올과 아세트산의 에스테르 반응인데,
에탄올 1500kg, 아세트산 1000kg 일 때 물이 나오는 양을 알고 싶습니다..

더불어 물이 나옴에 따른 수율 등도 알고싶습니다.


기본적인 공식 및 원리를 가르쳐주시면 모든 에스테르 반응의 원리에 적용하여 계산할 수 있을 듯 합니다.

Stefano    18-07-05 23:18
(1)에스테르 반응식:

유기산  +  알코홀  => 에스테르  + 물
R-COOH  + R'-OH =  R-COO-R'  +  H2O  ......(1)

아세트산 + 에탄올 = 에틸아세테이트 + 물
(60.05)    (46.07)    (88.105)          (18.015)

위 괄호의 무게비로 반응하게 됩니다.  어느 물질이 남을 것인지 알아보려면 각각의 몰수가 얼마인지 확인해 봐야 합니다.

아세트산:  1000kg Acetic Acid/(60.05 kg/kg-mole) = 16.653 kg-mole Acetic Acid
에탄올:      1500 kg Ethanol /(46.07 kg/kg-mole) = 32.559 kg-moel Ethanol

(1) 반응식을 보면 1몰씩 반응하여 1몰의 물이 생성됩니다.  이로미루어 보변 Acetic Acid의 양이 부족하므로 이를 기준으로 모두 반응하면 에탄올이 남게 되지요.  소모되는 에탄올은 아세트산의 몰수와 같은 16.653 kg-mole이 반응하고 남어지는 남게 됩니다.  생성되는 물의 양도 16.653 kg-mole이 생성되지요.

결국 16.653 kg몰의 아세트산과 16.653 kg몰의 에탄올이 반응하여 16.653 kg몰의 물이 생성될 것입니다. 

몰수를 질량으로 나타내려면 분자량을 각각 곱하면 됩니다. 
반응에 참여한 량과 생성된 량을 질량으로 나타내 보세요.
jena bgwrite   18-07-07 09:16
스테파노님 정말감사합니다.

결국 물이 약 300kg가 생성되는 것으로 계산이 됩니다. 따라서 수율은 88% (=2200/2500*100)으로 계산됩니다.

1. 여기서 궁금한게 제조시 수율이 88% 이상의 경우, 즉 수율이 90%의 경우 88% 외 나머지 2%를 물이라고 생각하면 되는지요?

2. 더불어 응용하여 알콜 1개 원료 + 산 2개 원료의 경우에 헷갈립니다..
    A(알콜, DEG) + B(산, TPA) + C(산, PA) ㅡ> 제품 + H2O 이며

    화학식이 A : C4H10O3, B : C8H6O4, C : C8H4O3의 경우 몇 몰이 반응해서 몇몰의 물이 나온다 를 최종 모르겠습니다.
  ((1) 반응식을 보면 1몰씩 반응하여 1몰의 물이 생성됩니다.)

    위의 가르쳐주신 내용으로 몰수로 부터 물의 생성량을 알겠는데 응용하니 막히네요.

3. 에스테르 반응시 반응시간에 가장 영향을 미치는 인자는 어떤 것이 있는지 도움주시면 정말 감사하겠습니다.
  혹시 서적이나 인터넷 사이트 공유해주시면 공부 열심히하겠습니다.
스테파노 Stefano   18-07-07 23:27
A1)수율 88%, 수율 90%의 차이는  기준이 되는 (반응에 참여할 때 Limited Quantity가 사용된)물질이 2%정도 더 남아 있다고 계산하면 됩니다.  나머지 반응물도 사용된량은 기준물질의 88%에 해당하는 양과 동일한 몰수의 양만 소요되고 나머지는 함께 생성물과 함께 잔류하게 됩니다.


A2) 중합반응은 아래의 A와 B의 반응이 함께 일어날 것입니다.


A:  n TPA + n DEG  ==>n PET + (2n-1) H2O

HOOC-Φ-COOH  +  n HO-CH2-CH2-OH  ---> n  [-OC-Φ-CO-]    +  n  [-O-CH2-CH2-O-]    +  2 n [-OH]  +  2 n [H] 
 
==>  H-{OOC-Φ-COO-CH2-CH2-}n-OH  + (2n-1) H2O  .....(2)

B:  m PA  + m DEG == m PET + (m-1) H2O

m Φ=(CO)2=O  +  m HO-CH2-CH2-OH      -->  m [-OC-Φ-CO-]  +  m  [-O-CH2-CH2-O-]    +  m [-O-]  + 2 m [H] 

==>  H -{OOC-Φ-COO-CH2-CH2-}m-OH  + (m-1) H2O .....(3)
     
따라서  중합도 n과 m에 따라서 생성되는 물의 양이 달라질 것입니다. 

위의 A 반응과 B반응이 일어는데 있어서 PA는  TPA에서 물이 한분자 미리 빠졌기 때문에 n과 m이 같다고 해도 PA의 경우가 TPA 한분자당 물하나씩이 덜 생기지요.

A3)  에스텔 반응은 대개 평형반응으로 진행되기 때문에 어느 정도 진행 되다가  평형에 도달하게 됩니다.  정해진 평형상수를 나타내는 농도가 되면 더이상 반응이 진핻되지 않는다는 이야기이지요.

질문과 관련된 반응에서는 아마 촉매를 사용하여 반응할 것이고 촉매의 사용은 반응을 빠르게 진행되지만 평형농도를 달리하지는 않습니다.  촉매의 양, 온도와 농도가 반응속도를 빠르게 해주는 요소가 됩니다.

위의 PET는  PET나 폴리에스터 섬유를 만드는 반응인데 반응이 더 진핻되도록 하려면 생성되는 물을 계속해서 진공으로 뽑아내면 됩니다.  "<르샤틀리에>의 평형이동 법칙" 은 이를  언급하는 것이지요.
jena bgwrite   18-07-08 11:40
스테파노님, 추가 질문이 있습니다.

1) 2(n-1) H2O  .....(2) , (m-1) H2O .....(3)  이 부분에서 2(n-1), (m-1)이 어떻게 나왔는지 너무 이해가 안됩니다..

2) 더불어 응용했을 경우, DEG 2000kg, TPA 1500kg, PA 500kg일 경우 물은 얼마나 생성될까요..
    (몰수는 계산하였습니다.)

  - DEG 몰수 : 2,000kg/106kg/kg-mole = 18.86kg-mole
  - TPA 몰수 : 1,500kg/166kg/kg-mole = 9kg-mole
  - PA 몰수 : 500kg/148kg/kg-mole = 3.38kg/-mole
Stefano    18-07-09 11:29
AA1) 첫답글에서 중괄호 { } 밖에  H와 OH 하나씩 남아 있는 것이  반응식에 적혀 있는데 그래서 그렇습니다.
{  }n 가 생성되는 것이 아니고.... 실제로는 <한 분자의 물은 고분자 양쪽 끝 말단 꼬리를 장식(?)하는데 사용되기 때문>입니다.  따라서  2n개보다 하나 적은 2n-1몰의 물분자가 생성되는 것이지요.

AA2) DEG는 TPA 반응과 PA만응이 모두 반응해도 남기때문에 (∵  18.86>(9+3.38)) 투여한 TPA와 PA양으로부터
반응에 참여한 TPA 몰수의 2배에서 1몰,  PA 몰수에서 1몰을 뺀 값에 해당하는 물이 생성되겠지요..

답글로 몇 kg-mole이 생성되는지 계산해서 올려주세요.
jena bgwrite   18-07-09 23:13
AA2) 2(9-1) + (3.38-1) = 38.08kg-mole 입니다.

즉 38.08kg-mole * 18kg/kg-mole = 685.44kg 입니다.

맞는지요...?

n  [-OC-Φ-CO-]    +  n  [-O-CH2-CH2-O-]    +  2 n [-OH]  +  2 n [H]   
==>  H-{OOC-Φ-COO-CH2-CH2-}n-OH  + 2(n-1) H2O  .....(2)

 m [-OC-Φ-CO-]  +  m  [-O-CH2-CH2-O-]    +  m [-O-]  + 2 m [H] 
==>  H -{OOC-Φ-COO-CH2-CH2-}m-OH  + (m-1) H2O .....(3)

위 두 식의 이해가 100% 되지는 않습니다 ㅠ
Stefano    18-07-09 23:26
필자의 설명이 틀려있었습니다.
 
2(n-1)이 아니고 (2n-1)이 되어야 했습니다.  괄호위치가 틀려있었습니다.  이부분이 틀려있어서 이해가 안되었나 봅니다.
이미 올려뒀던 답글에서 수식및 오류를 고쳐놓았습니다.

따라서 (2*9-1)+(3.38-1) = 29.38 kg-mole water to be produced. = 529.42 kg of H2O
jena bgwrite   18-07-11 00:21
스테파노님, 전 이 화학식이 너무 이해가 안됩니다. 이부분만 이해된다면 다른 부분에 적용이 엄청 쉬울 듯 합니다.

A:  n TPA + n DEG  ==>n PET + 2(n-1) H2O

HOOC-Φ-COOH  +  n HO-CH2-CH2-OH  ---> n  [-OC-Φ-CO-]    +  n  [-O-CH2-CH2-O-]    +  2 n [-OH]  +  2 n [H] 
<TPA>                  <DEG>                            <                  PET                          >

==>  H-{OOC-Φ-COO-CH2-CH2-}n-OH  + (2n-1) H2O  .....(2)

        <말단에 H, OH 이유가 궁금합니다>  <2n-1... 도 궁금합니다..)


B:  m PA  + m DEG == m PET + (m-1) H2O

m Φ=(CO)2=O  +  m HO-CH2-CH2-OH      -->  m [-OC-Φ-CO-]  +  m  [-O-CH2-CH2-O-]    +  m [-O-]  + 2 m [H] 

==>  H -{OOC-Φ-COO-CH2-CH2-}m-OH  + (m-1) H2O .....(3)

(m-1)도 완벽히 이해는 되지않네요..
스테파노 Stefano   18-07-11 01:28
추가 질문에서 인용한 화학식에서 아직 오류가 남아있습니다.  2(n-1)이 아니고 (2n-1)의 물이 생성되는 것이 맞습니다.

이해하기 쉽게 사용했던 화학식이 오히려  혼동스러워  결과적으로 필자가 너무 어렵게 설명한 듯합니다. 그래서...
이야기를 원점으로 되돌아  가야 할것 같아보입니다.
이제...이전 답글에서 설명했던 (2), (3) 식을 모두 잊어버리시고..

또, 이전의 질문과 답글을 모두 잠시 접어두고
새로 질문을 다시해 주세요...  Esterification을 질문했나요?  중합반응을 질문했나요?
스테파노 Stefano   18-07-12 11:03
(0) 설명이 너무 어려웠었나 봅니다.
(1) 이야기를 원점에 돌아가서..
축중합을 일으키는 반응에서 Esterification 반응이 일어나는 부분마다 물 한분자씩 떨어져 나오는데  중합반응식을 다음과 같은 수식으로 고쳐 봅니다.

TPA + EG ---->
1.  H-OOCΦCOO-H  +  HO-(CH2)2-OH  ----------> H-OOCΦCOO(CH2)2-OH  +  H2O  ..............(1분자 TPA, 1분자 EG 반응)2.  H-OOCΦCOO(CH2)2-OH + H-OOCΦCOO-H --->H-OOCΦCOO(CH2)2OOCΦCOO-H + H2O.......(2분자TPA, 1분자 EG 반응)
3.  H-OOCΦCOO(CH2)2OOCΦCOO-H + HO-(CH2)2OH  -->H-OOCΦCOO(CH2)2OOCΦCOO(CH2)2-OH + H2O...(2분자TPA, 2분자 EG 반응)
4.  H-OOCΦCOO(CH2)2OOCΦCOO(CH2)2-OH  + H-OOCΦCOO-H-->H-OOCΦCOO(CH2)2OOCΦCOO(CH2)2OOCΦCOO-H + H2O(3분자 TPA+2분자EG 반응)
...
...
홀수 (2n-1)번째.  n몰의 TPA와 n몰의 EG가 반응하여 중합도 n의 고분자생성 즉  H-{OOCΦCOO(CH2)}n-OH , 생성되는 물의 양은  (2n-1) H2O몰 생성

따라서    n TPA + n EG --->  H-{OOCΦCOO(CH2)2}n-OH  + (2n-1)H2O      ;  Φ = C6H4

2n의 물이 생성되지 않고  2n-1몰이 생성되는 이유는 Monomer TPA의 맨 끝분자의 한쪽 유기산기  -COOH에서  H가 하나 남아있고  Alcohol EG의 맨 끝분자의 한쪽 Alcohol기 -OH가 남아있기 때문입니다. 

반응에서 탄소는 달아날 일이 없으므로  수소와 산소가 어디로 달아났나 걱정이 된다면  원자수효를 맞추어 보세요

n (C8H6O4)  + n (C2H6O2) --->    H-{[OOC8H4OO]-[C2H4]}n-OH  + (2n-1)H2O ............(4)

좌변의 원소 수효.... C: 10n, H: 12n,  O: 6n   
우변의 원소 수효 .... C: 10n, H: ((8n+2))+(4n-2)=12n,  O:((4n+1))+(2n-1) =6n ;  (( ))은 고분자내의 원소수 

(3) PA의 분자식은  C8H4O3로 ,TPA에서 H2O 한분자가 빠진 무수프탈산입니다.  이를 (4)식과 같은 방법의 수식으로 나타내고
좌 우변의 원소수효를 직접 헤아려 보세요.  이번에는 n 대신 m을 사용해서 나타내 보세요.
jena bgwrite   18-07-14 02:24
스테파노님, 글을 계속 보고 이해하려고하는데 도저히 이해가 안되네요 ㅠ

n (C8H6O4)  + n (C2H6O2) --->    H-{[OOC8H4OO]-[C2H4]}n-OH 이 부분까지 이해가 되었는데,
(2n-1)H2O 여기서 2n-1이 아니라 저의 생각으로는 nH2O가 아닌지 궁금합니다.

만약 n이 2의 경우

1. (2n-1)H2O은 3H2O -> H6O3 입니다.
2. nH2O는 2H2O -> H4O2 입니다. 

이유는 COOH에서  H가 하나 남아있고  Alcohol EG의 맨 끝분자의 한쪽 Alcohol기 -OH가 남아있기때문에 2번이 맞지 않을까요?


ㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡㅡ
(3) PA의 분자식은  C8H4O3로 ,TPA에서 H2O 한분자가 빠진 무수프탈산입니다.  이를 (4)식과 같은 방법의 수식으로 나타내고
좌 우변의 원소수효를 직접 헤아려 보세요.  이번에는 n 대신 m을 사용해서 나타내 보세요.

->m(C8H6O3)  + m(C2H6O2) --->    H-{[OOC8H4O]-[C2H4]}n-OH  + nH2O
Stefano    18-07-14 14:55
(1) 답답한 것은 필자가 훨씬 더합니다. 
(4)식이 맞지 않다면 맞는 수식을 올려놓고  질문해 주세요..

질문의 중합반응은 n 몰의 TPA와 n 몰의 EG가 만나  (2n-1)회의 Ester 결합을 이루면서  (2n-1)몰의 물이 생성되는 것입니다.
{  }속 중앙에 들어있는 에스터 결합에서 n몰의  물분자가 빠져 나온것이고  (아래의 (5)식),  다시 n쌍의  {C8H5O4-C2H5O}이 결합하여 (n-1)몰의 H2O가 생성되지요 (아래의 (6)식).  고분자의 양끝에 물분자 H와 OH가 한분자 남아있음에 착안하세요.     

n (C8H6O4)  + n (C2H6O2) --->      n {C8H5O4-C2H5O}  + n H2O  ........................(5)

n {C8H5O4-C2H5O} -------------->      H-----{C8H4O4-C2H4}n-----OH  +  (n-1)H2O.........(6)
----------------------------------------------------------------------------------------------------------
n (C8H6O4)  + n (C2H6O2) ---->    H-----{C8H4O4-C2H4}n-----OH  +  (n H2O  + n H2O - H2O) .......(7)

위의 (7)식이 바로 (4)식이 됩니다.

(2) < m(C8H6O3)  + m(C2H6O2) --->    H-{[OOC8H4O]-[C2H4]}n-OH  + nH2O  > 
==>이 수식에서 n을 소거해서 m으로만 나타내 보세요.

또한 위의 수식 (5), (6), (7) 식에 들어있는 n 대신 n=2를 대입해보고 고민(?)해 보세요. 그래야 이해가 될 것으로 봅니다.
2분자의 TPA가 2분자의 (5)번 반응을 일으키며  2분자의  {C8H5O4-C2H5O}이 생기고  2분자의 물이생성됩니다.
이어서 

2분자의 {C8H5O4-C2H5O}이 반응하여  H-----{C8H4O4-C2H4}2-----OH 이 생기고 나면  1분자의 물이 생성됩니다.
n=2일 때  3몰의 물이 생성되었습니다.    질문자가 생각하는 나머지 1몰은  H-----{C8H4O4-C2H4}2-----OH 의 양끝에 H와  OH로 남아있습니다.  그 고분가 길이가 아무리 길어도 그 양끝에 물 한분자가 채우고 있습니다.
   

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