[유기화학 실험] (Re)crystallization and Filtration, 재결정 그리고 여과

Crystallization과 recrystallization은 모두 재결정을 의미한다. 

 

1. 용해도와 유기 화합물

(1) 온도의 영향

  유기 화합물 등의 고체가 용매에 용해되는 현상은 흡열 반응(endothermic)이다. 

흡열 반응에서는 열을 가할수록 정반응이 진행되므로, 온도가 올라갈수록 용해가 잘 된다. 

더 이상 녹을 것이 없어서 용매와 용질이 평형을 이룰 때, 이 상태를 포화되었다(saturated)고 한다. 이 때 유리막대로 비커의 벽면을 긁거나 같은 종류의 용질을 넣어 응결핵(seed)를 넣어주면 평형이 깨지면서 재결정이 일어난다. 만약 평형이 깨졌음에도 고체가 생기지 않는 상태가 생긴다면 이 때는 과포화(supersaturation) 상태라고 한다. 

 

(2) 분자의 구조가 용해도에 미치는 영향

  용매와 용질의 구조 또한 용해도에 영향을 미친다. 

보통 극성인 용질은 극성의 용매에 잘 녹고, 비극성인 용질은 비극성 용매에 잘 녹는다. 어떤 물질이 극성이거나 비극성일 것이란 판단을 분자의 구조를 보고 판단할 수 있다.  

● 이런 모양의 분자라면 극성일 확률이 높다!   (1) 분자량이 작은 편이면서, O(산소)나 N(질소)를 지닌 분자   (2) 극성 작용기를 지닌 분자        ex) -OH (히드록시기), -COOH (카복실기), -NH2 (아민기) 등    (3) 비극성 알킬기가 작은 비중을 차지하는 분자

(3) 유기 분자의 수용성 판단

  용매와 용질의 총질량 중 용질의 질량이 3% 이상을 용매에 넣었을 때에도 용해된다면, 이 때 우리는 비로소 '용해되었다'고 할 수 있다.

 다음은 용해도와 관련한 가이드라인이다.

●  ≥ 6개의 탄소 : 거의 수용성 없음  ●  ≤ 2개의 탄소 : 수용성   ●  2< ___ <6개의 탄소 : 실험적 데이터가 필요함

  또한 수용성은 분자의 모양에 따라서도 좌우될 수 있다. 예를 들면, 2-pentanol은 1-pentanol보다 더 수용성이 크다. 구형에 가까울수록 물 분자와 상호작용할 수 있는 기회가 많아지기 때문이다. 

 

 

알코올 수용성 비교

 

2. 재결정 과정

(1) 재결정에 적절한 용매를 선택하기

  제대로 된 용매를 선택해야 재결정 과정에서 시행착오를 줄일 수 있다. 

이상적인 재결정 용매는 100℃ 미만의 끓는점을 지닌 것으로 선택해야 한다. 그래야 분리되어 나오는 고체로부터 유기용매가 더 빠르게 증발되기 때문이다. 

Solvent	Boiling Point	Freezing Point	Flash Point
Water	100	0	-
Acetone	56	-95	-20
Ethyl acetate	77	-84	-4
Benzene	80	6	-11
Hexane	68	-95	-22
Methyl Chloride	40	-97	-

  적절한 용매를 선택했는지 알아보기 위해서는, 5-10mg 정도의 샘플을 취하여 용매가 담긴 작은 유리 튜브에 녹여본다. 앞서 말했듯이 용질이 용매에 녹는 과정은 흡열 반응이므로 sand bath, heat lamp, 또는 steam bath를 이용하여 열을 가해준다. 

 

(2) 표준 재결정 방법

 

 

standard scale recrystallization technique

 

 

  단일 용매에 대한 재결정 과정이다.

(a) 이물질이 들어간 화합물을 녹인다.

(b) funnel에 열을 가한다.

(c) filtering

(d) concentrating (조리기)

(e) crystallizing (재결정)

 

  이 때 중요한 것은 용매가 100℃ 미만으로 유지되도록 steam bath의 온도를 유지해야 한다는 것이다. Funnel 안에 넣은 막대는 결정핵 생성을 돕는다.