(1)Azeotropes
공비혼합물은 문자그대로 어느 일정한 농도에서 같이 끓어오르는 혼합물을 말합니다. 액상에서 증발하는 증기의 조성이 액상의 조성과 같은 경우 공비혼합물이 됩니다.
공비혼합물이 아닌 경우 비점이 낮은 물질이 휘발도가 상대적으로 높아 끓어오르는 증기중에는 저비점 물질의 함량이 많아지게 됩니다. 이를 응축해서 다시 증기를 얻으면 다시 저비점 성분이 더욱 많은 증기가 얻어지는데 이를 반복하여 순수한 저비점 물질을 탑의 상부로 분리해 내고 고비점 (휘발도가 낮은) 물질은 증류탑의 하부로 순수하게 얻어질 수 있습니다.
(2)Roult's Law
라울의 법칙은 액상의 조성이 어느 온도에서 각 성분의 증기압을 나타내고 그 두 성분의 증기압의 합에 해당하는 압력을 걸어주면 끓어올라 전체 분압에 해당하는 증기의 농도을 가지는 증기가 발생된다는 법칙을 말합니다. 수식으로 표현하면
전체의 증기압 P= x1*p1 + x2*p2............................................................(1)라울의 법칙
성분1의 증기 조성(몰분율), y1 = x1*p1/P = (x1*p1)/(x1*p1+x2*p2)..........(2a)
성분2의 증기 조성(몰분율), y2 = x2*p2/P = (x2*p2)/(x1*p1+x2*p2)..........(2b)
성분 1의 휘발도 y1/x1 = p1.............(3a) 라울의 법칙에 따르는 물질의 휘발도
성분 2의 휘발도 y2/x2 = p2.............(3b)
상대휘발도, α12 = (y1/x1)/(y2/x2) = (x2/x1)*(y1/y2) = x2*y1/(x1*y2) = p1/p2 ...(4) 라울의 법칙을 따르는 물질의 상대 휘발도.
라울의 법칙을 따르는 용액을 이상용액(Ideal Solution)이라고 하고 이 법칙을 따르지 않는 용액은 비이상용액이라고 하는데, 공비혼합물은 라울의 법칙을 따르지 않을 뿐더러 두 성분의 혼합물 조성 중에서 상대휘발도가 1인 점이 나타나는 혼합물이 바로 Azeotrope이 됩니다. Azeotrope에는 Max boiling Point Azeotrope와 Minimum Boiling Point Azeotrope 두 종류가 있습니다.
(3)Azeotrope가 되는 이유
두개의 물질이 공비혼합물을 이루는 이유는 두가지 물질의 분자간의 인력 혹은 반발력에 의해 두 물질의 상대휘발도가 1이 되는 혼합물이 생성되기 때문입니다. 함량이 늘어나면서 저비점 물질의 휘발도가 낮아져 공비점이 각 물질의 비점보다 올라가는 경우(Max boiling Point Azeotrope의 경우)도 있고 함량이 늘어날수록 고비점 물질의 휘발도가 높아져 각 물질의 비점보다 낮아져 최저공비점 혼합물이 되는 경우(Minimum Boiling Point Azeotrope의 경우)가 있는데 이중 후자의 경우가 더 흔합니다.
(4) 공비혼합물을 증류하여 분리하지 못하는 이유
공비혼합물은 액상과 기상의 조성이 같기 때문에 아무리 끓여서 응축해 봐도 농도는 변화되지 않습니다. 따라서 단순 증류공정으로는 분리할 수 없습니다. 공비혼합물이 아닌 농도 조성에 있는 물질이라고 해도 증발해서 공비혼합물 조성에 도달하면 그 이상의 농도변화는 일어나지 않습니다.
