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[자연과학] 화학공학실험 – 기체확산계수의 측정

1. 실험목적
기체와 액체의 계면에서 액체가 기체로 증발될 때 증발된 기체의 확산 현상을 이해하자.
공기나 질소중의 acetone 또는 ethyl ether의 기상확산계수 측정하자.
증발 기체의 확산 계수를 측정하는 방법을 익히자.
문헌 값이나 각종 추산식에 대한 계산 값들과 비교해보자.

2. 실험이론
(1) 확 산
확산이란, 혼합물 중에 상대적으로 휘발성이 큰 물질의 이동이 있는 것을 말한다. 확산이 일어나는 주된 원인은 확산되는 물질의 농도차이며, 이것은 거리에 따라 농도가 달라지게 되기 때문에 이를 농도 기울기라고 한다.
확산의 일반적인 원인은 농도 기울기에 있지만, 이밖에 압력 차에 의한 압력 기울기, 온도차에 의한 온도 기울기 또는 원심력과 같은 외부의 힘에 의해서 확산되기도 하는데, 이러한 확산을 압력확산, 열 확산 및 강제확산이라고 한다.
예를 들면, 물과 접촉하고 있는 소금 결정은 물과 소금의 계면에서는 소금의 농도가 높고, 계면에서 멀어지면 소금의 농도가 낮아지는 것을 알 수 있다. 또, 암모니아수가 들어있는 암모니아수 병뚜껑을 공기 중에 열어 두면, 그 주변에서는 암모니아수가 발생하여 냄새가 고약하나 멀리 떨어져 있는 곳에서는 냄새가 덜 나고, 시간이 지나면 거의 모든 곳에서 거의 같은 정도로 냄새를 맡을 수 있게 되는데, 이것이 바로 확산에 의한 현상이다.

(2)피크의 법칙
확산계수는 물질의 이동속도를 지배하는 중요한 인자이며, 온도, 압력, 조성의 영향을 받는다. 기상에서 조성의 영향은 적고 절대온도의 n승에 비례하며 압력에는 반비례한다. 이성분계에 있어서 기체 A가 기체B 속으로 확산하는 경우 성분 A의 확산 플럭스 JA [mol/cm2sec]는 성분 A의 농도구배에 비례한다.
– (1)
JA 〓 성분A의 확산 플럭스 (mol/cm2s)
DAB 〓 분자확산계수 (cm2/s)
CA 〓 성분A의 몰농도 (mol/cm3)분자확산계수 (cm2/s)
Z 〓 확산거리 (cm)
식(1)은 Fick의 제1법칙이라 하며, 비례상수 DAB (cm2/sec)를 분자확산계수라 한다. 지금 성분 A,B의 이동 플럭스를 각각 NA (mol/cm2s), NB (mol/cm2s)라 하며 전체이동 플럭스는NA + NB 가 되며, 성분 A의 순이동 플럭스는 확산에 의한 이동속도와 전체 이동에 의한 성분 A의 이동속도의 합으로 나타낼 수 있다. 한편, 난류가 일어나지 않는 유체상에서 A성분의 이동속도 NA는 다음과 같다.
(2)
여기서ρM 〓 혼합기체의 몰밀도 (mol/cm3)로 A,B 두 성분의 몰농도의 합이다.
(3)
CA,CB 〓 성분 A,B의 몰농도 (mol/cm3)
P 〓 전압 (atm)
R 〓 기체상수(cm3 atm/mol K)
T 〓 절대온도 (K)
식 (2)를 변형하면 식 (4)가 얻어진다.
(4)

그림 1-1. 확산 Cell
그림 1-1에 나타낸 바와 같이 확산 cell의 확산관(수직관) 밑에 성분 A의 액체를 넣고 상부의 수평관 내에 성분 B의 기체를 흐르게 하면, 액면에서 증발한 성분 A의 증기는 확산기내의 기체 B중을 확산하여 관 상단에 이르고 기체 B와 같이 계외로 배출된다. 관 상단에서 성분 A의 농도가 zero가 되도록 기체 B를 충분한 유속으로 흘러 보내고 A,B는 모두 이상기체로 본다. 또한 수직관내의 액체 A의 증발은 액체 A에 기체 B가 녹지 않는다면 확산관 내에서 성분 B의 이동이 없는 일방확산이다. 그러므로
NB〓0 (5)
식 (3)과 식 (5)를 식 (4)에 대입한 후 적분하면
(6)
yA 〓 기상중 성분 A의 몰분율
yAi 〓 기액 계면에서 성분 A의 몰분율
식 (6)을 변형하면
(7)
PA 〓 기상중 성분 A의 분압

자료출처 : https://www.ALLReport.co.kr/search/Detail.asp?xid=a&kid=b&pk=14061280&sid=qew132&key=

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