고체,액체 및 기체의 건조
유기화학의 거의 모든 반응에 있어서 그 실험 과정에서 사용되는 시약이나 용매 또는 생성물을 건조시켜야 할 경우가 흔히 있다. 이 절에서는 고체,액체,기체 상태의 유기화합물을 건조시키는 기술과 흔히 쓰이는 건조제에 대해 설명하고자 한다.
고체 유기화합물 속에 남은 소량의 물이나 유기 용매는 녹는점을 변화시키거나 반응을 성공적으로 진행시키지 못하도록 하는 역할을 할 경우가 있다. 이런 경우 젖은 고체를 쓰면 안될 것이다. 보통 휘발성 유기 용매에서 고체유기 화합물을 재결정했거나 소량의 물이 있는 경우 고체를 여과지 위에 펼쳐 놓고 실온의 공기중이나 오븐에서 건조시킨다. 건조 속도를 빠르게 하는 다른 유용한 방법으로 Vacuum desiccator에 고체를 넣고 aspirator로 공기를 빨아내면 빨리 건조시킬 수 있다.
그림1. Vacuum desiccator 고체 화합물이 흡습성이 있거나 물기나 끓는점이 높은 용매에서 재결정한 경우에는 고체의 녹는점이나 분해되는 온도이하에서 대기압 또는 진공오븐에서 건조시킨다. 산소에 의해 변질되는 고체의 경우는 불활성 기체하에서 건조 시키거나 진공중에서 건조시킨다. 정량적인 원소분석을 해야하는 시료는 무게가 일정해 질때까지 진공중에서 가열 건조시킨다. 건조시킨 유기화합물은 마개가 꼭 맞는병이나 silica gel, phosphorus pentoxide 또는 calcium chloride같은 건조제가 들어있는 desiccator에 보관한다. 탄화수소의 용매로 오염된 고체는 paraffin덩어리를 넣은 desiccator에서 말릴 수 있다.
액체의 가장 보편적인 건조 및 정제 수단은 증류이다. 만일 증류하려고 하는 유기화합물에 물이 있으면, 유기화합물의 끓는점 또는 그 이하의 온도에서 증류하고자 하는 유기화합물과 물이 반응할 수도 있고 혹은 액체와 같이 증류되어 결국 증류한 것을 오염시키게 된다. 어떤 유기물에서는 azeotropic distillation라는 방법을 통해 용매와 물을 동시에 증류하여 건조시킬 수 있는 것도 있다. 예를 들어, benzene이나 toluene은 이 방법을 사용하여 상당히 잘 건조시킬 수 있다. 고체도 이와 같이 적당한 용매에 녹여 azeotropic distillation에 의해 물을 제거한 후 용매를 증발시켜 건조된 고체를 회수할 수 있다.
건조제가 들어있는 용기에 기체를 통과시켜 건조할 수 있다. 흔히 Anhydrous calcium chloride나 concentrated sulfuric acid가 건조제로 많이 사용된다. 그림 2.에서는 고체 건조제를 사용하여 기체를 건조시키는 U-tube를 보여주고 있다.
그림 2. 기체를 건조 시키기 위해 고체 건조제를 사용한 U-tube
건조제는 건조제 또는 수분을 흡수한 건조제가 건조하려는 유기용매 또는 유기화합물과 반응하지 말아야 하고, 또한 건조제 및 수분을 흡수한 건조제는 건조시킨 유기액체나 유기화합물로부터 쉽게 분리해 낼 수 있어야 할 것이다. 건조제로서 또 하나 고려해야 할 점은 그 작용이 매우 효과적이어서 거의 모든 수분이 제거되어야 한다. 유기실험실에서 흔히 쓰이는 건조제와 그 성질을 다음 표에 열거하였다. 표1. 건조제와 그들의 성질
*용량 : 건조제 1몰당 물의 (최대)몰 수 *효력 : 물의 상대 흡수 속도 *가장 좋은 건조제란 물과 신속하고 비가역적으로 반응하는 것이지만 이런 것은 대개 위험하므로 미리 다른 약한 건조제로 대략적으로 건조시킨 후 사용하는 것이 좋다. 표에 주어진 건조제의 탈수작용은 다음 두 가지 방법 중 하나에 해당한다. 즉 흡착이나 흡수에 의해 식(1) 건조제가 물과 가역적으로 상호작용(흡습분해)하거나, 또는 물이 산이나 염기와 작용하여 건조제와 비가역적으로 반응하는 것이다. 가역적인 수화(hydration)의 경우 얼마간의 물이 수화된 건조제와 평형으로 유기액체 속에 남는다. 물론 이때 평형에 의해 남은 물이 적으면 적을수록 건조제의 효율이 좋다고 할수 있다. 비가역적인 화학반응에 의해 물을 제거하는 건조제는 확실히 효율이 매우 높으나 보통 흡습성 건조제보다 값이 비싸다. 건조제 + H2O 함수건조제( 건조제·H2O ) (1) 흡습성 건조제의 경우에는 그들의 수화물이 30∼40℃ 이상의 온도에서 물을 내놓아 분해되므로 건조시킨 액체를 증류하기 전에 여과를 하거나 따라내어 물을 품고 있는 건조제를 완전히 제거해야 한다. Calcium hydride, sodium 금속 및 phosphorous pentoxide같은 건조제는 물과 격렬하게 반응하므로 취급시 조심해야 한다. 무수 calcium sulfate같은 건조제는 물을 제거하는 용량(capicity)이 작기 때문에 반응성이 작고 건조 용량이 큰 효율적인 건조제를 일차로 사용해야 한다. 물과 반응해서 수소를 발생하는 건조제를 쓸 때에는 가연성 기체인 수소가 빠져나갈 수 있도록 주의해야 한다. 건조제는 물뿐 아니라 유기 액체도 흡착하거나 흡수하므로 액체를 건조할 때 필요 이상의 많은 양을 쓰는 것은 바람직하지 못하다. 소요되는 건조제의 양은 건조하고자 하는 액체속에 존재하는 물의 양과 건조제의 건조용량 및 건조능력에 의존한다. 일반적으로 건조제는 액체가 담겨진 용기의 바닥을 덮을 정도의 양이면 충분하다. Calcium chloride나 magnesium sulfate같은 건조제를 쓸 때에는 액체의 용기를 흔들어 주는 것이 수화되는 평형을 촉진시키기 때문에 건조속도를 증진시켜 준다. Calcium hydride와 같이 물과 비가역적으로 반응하는 경우에도 흔들어 주는 것이 건조속도를 가속화시킨다. 이것은 건조제의 입자를 부서지게 해서 건조제의 실질적인 표면적을 증가시키기 때문이다. |
