회전 증발 농축

추출로 얻은 용액 100 mL에서 용매만 날려 보내고 녹아 있던 물질을 남기려 한다. 그런데 이 물질은 60 °C를 넘으면 분해된다. 물은 100 °C에서 끓으니 40 °C 물중탕으로는 하루 종일 데워도 조금씩 증발할 뿐이다. 회전 증발기는 둥근 플라스크를 돌리며 안의 압력을 낮추는데, 이 장치에 넣자 40 °C에서 용액이 보글보글 끓으며 금방 줄어들었다. 압력을 낮추면 왜 낮은 온도에서 끓을까? 압력을 얼마나 낮추어야 할까?

2.7.1끓는점은 압력이 정한다

액체 표면에서는 분자들이 끊임없이 튀어나가고, 닫힌 공간에서 그 증기가 만드는 압력이 증기압이다. 증기압은 온도가 오를수록 커진다. 액체 속에서 거품이 생겨 자라려면 거품 안의 증기압이 거품을 누르는 바깥 압력을 이겨야 한다. 그래서 증기압이 주변 압력과 같아지는 온도가 끓는점이다. 대기압 101.3 kPa에서 물은 100 °C에 끓지만, 높은 산 위처럼 압력이 낮으면 더 낮은 온도에서 끓는다. 회전 증발기는 진공 펌프로 압력을 낮추어 용매의 끓는점을 물중탕 온도 아래로 끌어내린다.

그림 1에서 물의 증기압 곡선은 40 °C에서 7.4 kPa로, 대기압의 14분의 1이다. 압력을 그 아래로 낮추면 물은 40 °C 물중탕에서 끓는다. 끓는점이 낮은 에탄올이나 아세톤은 압력을 덜 낮추어도 된다. 플라스크를 돌리는 까닭은 용액을 플라스크 벽에 얇게 펴서 증발하는 넓이를 넓히고, 한꺼번에 큰 거품이 솟구치는 돌비를 막기 위해서이다. 증발한 용매는 차가운 냉각관에서 다시 액체가 되어 따로 모인다.¹

2.7.2용매마다 다른 압력

압력을 너무 낮추면 끓는점이 냉각관 온도보다도 낮아져, 증기가 응결하지 못하고 펌프로 빨려 나간다. 또 녹아 있는 물질 가운데 휘발성이 있는 것까지 함께 날아갈 수 있다. 그래서 용매마다 물중탕 온도에서 증기압이 되는 압력을 찾아, 그보다 조금만 낮게 맞춘다. 끓는 것이 확인되면 압력을 더 낮추지 않고 그대로 둔다.

2.7.3예제 풀이

\(\ln(101.3/7.4) \approx 2.62\)이므로 \(\dfrac{1}{T_2} = \dfrac{1}{373.2} + \dfrac{2.62 \times 8.314}{40\,700} \approx 0.002680 + 0.000535 = 0.003215\)이다. \(T_2 \approx 311\) K, 곧 약 38 °C로 그림 1의 40 °C와 가깝다. 증발열이 온도에 따라 조금 변하는 것을 무시한 어림이다.

20 kPa이면 \(\ln(101.3/20) \approx 1.62\)이고 \(\dfrac{1}{T_2} \approx 0.002680 + 0.000331 = 0.003011\)이므로 \(T_2 \approx 332\) K, 곧 약 59 °C이다. 분해 온도 60 °C에 너무 가까워 안전하지 않다. 물중탕을 40 °C로 두고 압력을 7 kPa 근처로 낮추어야 물질을 지키며 물을 날려 보낼 수 있다. 즉 열에 약한 물질은 온도를 올리는 대신 압력을 낮추어 끓는점을 내린다.

아래 탐구 카드에서 압력에 따른 끓는점을 계산해 보고, 회전 증발기로 용매를 날려 보낼 조건을 정해 보자.

1. 해발 8848 m인 에베레스트 꼭대기의 기압은 약 34 kPa이어서 물이 약 71 °C에서 끓는다. 그래서 높은 산에서는 밥이 설익고, 압력솥은 반대로 압력을 높여 물을 120 °C 근처에서 끓게 한다.