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물질의 분리와 정제

자연계에 존재하는 물질은 대부분이 혼합물이다. 따라서, 이들을 어떤 방법으로 분리시켜 순수한 물질로 만들지 않으면 각 물질의 성질을 연구할 수가 없다. 이 때문에 옛날부터 물질을 분리하고 정제하는 방법을 연구해 왔다. 여기서는 이들 방법 중 중요한 것을 살펴보기로 한다.

물질의 분리

여러 가지 물질이 섞여 있는 혼합물에서 필요한 물질을 뽑아내는 일이 분리이다. 가장 간단한 것은 해변에서 조개껍질을 줍듯이 눈으로 보고 집어내는 방법이다. 물질이 작으면 확대경으로 보면서 핀셋으로 집어내는 방법도 있다. 모래와 자갈을 분리하고 싶을 때는 입자의 크기의 차이를 이용하여 체로 쳐서 나눌 수 있다. 고체와 액체에 대하여 각각 어떤 방법이 있는지 알아보기로 하자.

고체를 분리하는 방법

데칸테이션

decantation 소금과 모래가 섞여 있으면 체로 쳐서 나눌 수가 없다. 그러나 이것을 비커에 넣고 물을 부어 잘 저어 소금을 완전히 녹여서 가만히 놓아두면, 모래만 바닥에 가라앉는다. 이때 위쪽의 소금물을 다른 그릇에 따르고 모래에 물을 조금 부어서 잘 저은 다음, 따라내는 일을 몇 번 되풀이하면 모래와 소금물로 분리시킬 수 있다. 이와 같이 위쪽에 있는 액체를 따라내어 고체와 분리시키는 조작을 데칸테이션이라고 한다. 그릇을 기울여서 액체를 따라내는 대신에 사이펀을 사용하기도 한다. 따라낸 소금물을 끓여서 증발시키면 소금의 결정을 얻는다.

여과

濾過 물속으로 가라앉는 모래 같은 것이면 데칸테이션으로 분리시킬 수 있다. 그러나 흙과 같이 입자가 작아서 물 속에서 휘저었을 때, 곧 가라앉지 않는 것은 체로 쳐서 나누는 방법을 이용하면 된다. 이 경우 거름 종이가 체의 구실을 한다. 거름 종이는 특수한 셀룰로오스로 되어 있는 종이인데, 작은 틈이 있다, 보통은 둥근 거름종이를 사용하는데, 대개는 거름 종이를 넷으로 접은 다음 한쪽을 벌려서 원뿔꼴로 만들어 깔때기에 끼워서 사용한다. 이때 원뿔꼴 거름종이의 반면은 세겹이 되고 다른 쪽 반면은 흩겹이며, 사용되는 부분은 거름종이 전체의 절반에 해당한다. 거름종이를 여과할 액체에 적셔서 깔때기에 꼭 붙게 하고, 액체를 그릇에 조용히 유리 막대를 타고 흐르도록 하면서 거름종이 위에 붓는다. 이때 액체의 양은 깔때기에 댄 거름종이의 80%정도만 붓고 넘치지 않도록 주의해야 한다. 깔때기는 깔때기 받침으로 지지하고, 그 끝은 액체를 받는 비커의 벽에 닿게 하여 떨어지는 액체가 튀지 않고 벽을 타고 내리도록 한다. 이러한 조작을 여과라고 한다, 거름종이에 남은 고체는 물을 부어서 씻는다. 여과할 때 거름 종이에 남는 고체보다 여과액 쪽이 필요한 경우는 여과되는 속도를 빨리 하기 위해 거름 종이를 주름을 많이 잡아 꽃 모양으로 접어서 사용하기도 한다. 이것은 거름종이의 전면이 여과에 사용되므로, 넷으로 접은 경우보다 빨리 여과시킬 수가 있다. 많은 용액을 빨리 여과시키고자 할 때는 흡인 여과를 한다. 자기로 만든 브흐너 깔때기의 눈금접시 위에 거름종이를 액체에 적셔 붙이고, 깔때기를 고무 마개로 흡인병에 고정시켜서 수류펌프 등으로 흡인한다. 그러면 흡인병 속의 압력이 저하되어, 거름종이에 담긴 액체가 대기압으로 해서 급속히 여과된다.

원심 분리

遠心分離 여과하기 어려운 수산화알루미늄 같은 걸쭉한 침전물은 원심분리기의 침전관에 넣고 원심 분리기에서 1분 동안에 1,000∼4,000회전시킨다. 그러면 무거운 것은 침전관의 바닥에 가라앉아 위쪽의 액체와 분리된다. 원심 분리기에는 손으로 돌리는 간단한 것과 모터로 돌리는 전동식이 있다. 어느 쪽이나 액체를 넣은 침전관의 무게를 두 관이 같도록 하고, 두 관을 대칭되는 위치에 고정시켜서 회전할 때 균형이 잡히도록 한다.

재결정

再結晶 물질의 용해도 차이를 이용하여 분리시키는 방법도 있다. 물질이 결정을 이룰 때는 불순물을 함유하기 어렵다. 따라서, 그 물질을 한번 녹여서 용액으로 만들고, 그것을 가열하여 포화 용액이 된 후 온도를 내리면 보통은 결정이 석출한다. 이 조작을 재결정이라고 한다. 이것을 여과하여 소량의 순수한 용매로 씻으면, 불순물은 거의 용액 속에 남는다. 얻은 결정은 새로운 용매에 녹여서 재결정을 되풀이하면 보다 순수한 물질이 된다.

건조

乾燥 소량의 물을 함유하는 물질에서 물을 제거하는 조작을 건조라고 한다. 간단한 것에는 더운 바람을 쏘이는 방법이 있다. 시험관은 바깥쪽만 가열하면 안쪽이 마르지 않으므로 유리관 등을 사용하여 내부에 더운 바람을 보내 주어야 한다. 가루와 같은 것을 건조할 때는 적외선을 조사하는 방법도 있다. 저온에서 건조해야만 하는 것은 공기 속에서 건조시킨 다음, 진한 황산이나 실리카겔 등의 건초제를 넣은 건조기(데시케이터) 속에 넣어 둔다. 이 속의 공기를 빼서 진공으로 만들면 수분의 증발이 더욱 쉬워지는데, 이것을 진공 건조라고 한다. 또, 냉동 장치로 동결시켜 진공 속에서 직접 물을 승화시켜서 제거하면 열에 의해서 분해되기 쉬운 것이나 상온에서도 변질되기 쉬운 것을 건조시킬 수 있다. 이것을 동결 건조라고 한다.

액체를 얻는 방법

증류

蒸溜 고체와 액체의 혼합물은 무게, 입자의 크기, 용해도의 차이 등을 이용하여 분리시킬 수 있지만 물과 에틸알코올처럼 액체와 액체의 혼합물을 분리시킬 때나 소금물에서 물만을 분리해내는 경우 등은 다른 방법이 필요하다. 물질은 각각 일정한 끓는점을 가지고 있다. 따라서, 끓는점의 차이가 있는 혼합물을 가열하면 끓는점이 낮은 것이 먼저 증기가 되어 나오므로 이것을 냉각시켜 액체로 환원하여 모으면 분리시킬 수 있다. 이것을 증류라고 한다. 물의 끓는점은 1기압하에서 100℃, 메탄올(메틸알코올)은 64.7℃이므로 이 혼합물을 기열하면 메탄올이 먼저 증기가 되어 나온다. 단, 물도 다소 섞여 나오므로 한번의 증류로 완전히 분리하기는 어렵다. 처음에는 메탄올의 끓는점 부근의 온도 범위 내에서 나오는 증기를 모으고, 이것을 몇 번 되풀이하여 증류하면 차차 순수한 것을 얻을 수 있다. 이것을 재증류라고 한다. 증류의 초기에 나오는 증기에는 휘발성이 큰 불순물이나 증류 장치 내의 불순물이 섞여서 나오므로 이 부분을 버린다. 이것을 전류분이라고 한다. 또, 증류 플라스크 속의 액체를 완전히 증류하면 남아 있는 비휘발성인 불순물이 섞여 나올 가능성이 있으므로 조금 남겨서 버린다. 이것을 후류분이라고 한다.

순도와 정제

순도와 순도 결정

純度－純度決定 어떤 물질이 순수한지 어떤지는 어떻게 결정하면 될까? 황산구리(Ⅱ)의 수용액은 진한 것은 짙은 청색이고, 묽어짐에 따라 거의 무색 투명하게 된다. 그러나 여기에 진한 암모니아수를 가하면 엷은 청색이 되어 구리 이온의 존재를 알 수 있다. 물속에 있는 구리 이온이 암모니아와 결합하여 테트라암민구리 이온이 되기 때문인데, 이와 같이 적절한 약품을 사용하면 눈에 보이지 않는 불순물을 검출할 수가 있다. 또, 증류하거나 이온 교환 수지를 통한 순수한 물도 전류를 통하면 다소 전도성이 있다. 특히, 공기 속에 방치해 두었던 물은 상당한 전기를 유도한다. 이것은 주로 공기 속의 이산화탄소가 녹아들어갔기 때문이다. 또, 산소나 질소도 다소 녹아들어 갔기 때문에 증류수도 순수한 물이라고는 할 수 없다.이와 같이, 불순물의 함유 여부를 검사하는 방법에는 여러 가지가 있는데, 현재는 극히 미량의 불순물도 검출하는 기술까지 발달해 있어서 물질에 따라서는 Ippb 이하의 것이라도 검출할 수 있다. 1ppb란 10억의 사람 중에서 특정한 한 사람을 찾아내는 비율이 되므로 극히 미량임을 알 수 있다. 물질의 순도는 그 속에 함유되어 있는 불순물의 검출 방법에 의해 결정되므로, 전에는 순수하다고 했던 것이 새로운 방법으로 조사하면 불순물이 함유되어 있는 것을 알게 되는 경우도 생긴다. 따라서 완전히 순수한 것은 없다는 말이 된다. 그리하여 불순물을 검출하는 방법에 한계가 있는 이상 그것에 의해 불순물이 검출되지 않는 것은 순수하다고 생각하는 수밖에 없다. 그러나 순도는 필요한 목적에 따라 그 정도를 생각하면 된다. 보통의 화학 실험에서는 이산화탄소가 얼마간 녹아 있는 증류수라도 그다지 지장은 없다. 또, 음료수로 사용되는 수도물은 해로운 불순물만 함유되어 있지 않으면 증류수 정도로 순도가 높지 않아도 된다. 물질의 순도는 그것을 사용하는 목적에 따라 불순물의 검출을 생각하고 결정하는 것이다.

정제

精製 자연계에 존재하는 것은 대부분 혼합물이다. 그 성분이 가장 많은 것을 기준으로 하고, 그것에 비해서 분량이 적은 것을 불순물이라고 한다. 물질로부터 불순물을 제거하는 조작을 정제라고 한다. 화학에서는 물질의 성질을 조사하는 일이 많으므로 그 물질로서는 가급적 순수한 것이 바람직하다.

정제의 수단

精製－手段 액체인 경우에는 증류를 되풀이하여 끓는점이 일정한 것을 모은다. 혼합물은 순수한 물질보다 끓는점이 높은 것이 보통이므로, 증류하여 끓는점이 낮아지면 아직 순수하지 않고, 끓는점이 변하지 않으면 순수하게 되었다고 생각할 수 있다. 고체로서 결정을 이루는 것은 재결정을 반복한다. 혼합물의 녹는점은 순수한 물질보다 낮으므로, 재결정하여 그 이상 녹는점이 올라가지 않게 되어 일정 온도가 되면 거의 순수하게 되었다고 생각해도 좋다. 물질에 따라서는 끓는점이 일정하게 되어도 공비 혼합물을 이루는 경우도 있다.