돌비 현상
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1. 개요
돌비 현상은 급격한 가열 또는 압력 감소 시 매끄럽고 깨끗한 유리 기구에서 액체가 갑자기 끓어 넘치는 현상이다. 이는 핵 생성 부재, 탈기된 액체, 또는 액체의 가열 및 냉각 반복으로 인해 발생하며, 실험실에서 위험을 초래할 수 있다. 돌비 현상을 예방하기 위해 비등석을 사용하거나, 시험관, 플라스크, 삼각 플라스크와 같은 용기를 사용하고, 액체를 교반하며, 끓는 용액에 밀봉된 모세관을 넣어 핵 생성 부위를 제공하는 방법 등이 사용된다.
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돌비 현상 | |
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현상 개요 | |
정의 | 액체를 가열할 때, 액체 내부에서 핵생성이 지연되어 갑작스럽게 격렬한 끓음이 발생하는 현상 |
원인 | 액체의 점성, 표면 장력, 용기 표면의 매끄러움, 불순물 부족 등이 복합적으로 작용하여 기포 형성이 억제되기 때문 |
특징 | 갑작스러운 끓음과 함께 액체가 튀어 오르는 현상 발생 실험 결과에 오차를 유발하거나 화상 등의 안전사고를 일으킬 수 있음 |
발생 조건 | |
액체의 종류 | 점성이 높은 액체 (예: 글리세린, 황산) 표면 장력이 큰 액체 |
용기의 조건 | 표면이 매끄러운 용기 기포 핵을 제공할 불순물이 없는 용기 |
가열 방법 | 균일하지 않은 가열 급격한 가열 |
방지 대책 | |
끓임쪽 (Boiling chips) 사용 | 다공성 물질인 끓임쪽을 넣어 기포 핵 생성 촉진 |
교반 (Stirring) | 액체를 저어주어 온도 분포를 균일하게 하고 기포 형성을 도움 |
서서히 가열 | 급격한 온도 상승 방지 |
끓음 막대 (Boiling stick) 사용 | 유리 막대 등으로 용기 바닥을 긁어 기포 핵 생성 유도 |
거친 표면의 용기 사용 | 용기 표면에 흠집을 내어 기포 핵 생성 장소 제공 |
2. 원인
돌비 현상은 주로 액체를 급격하게 가열하거나 압력을 갑자기 낮출 때 발생한다. 특히 표면이 매끄럽고 깨끗한 유리 기구를 사용할 때 더 쉽게 관찰되는데, 이는 액체 내부에 기포가 처음 만들어지기 어려운 조건과 관련이 있다. 이러한 조건에서 기포가 일단 형성되면 매우 빠르게 성장하여 큰 증기 기포를 만들고, 이 기포가 액체를 시험관과 같은 용기 밖으로 갑자기 밀어낸다. 이 과정은 매우 빠르게 진행되기 때문에 실험실 환경에서는 예측하기 어렵고 실험자나 주변 사람들에게 화상 등의 심각한 위험을 초래할 수 있다.
2. 1. 핵 생성 부재
돌비 현상은 급격한 가열이나 압력 감소가 일어날 때, 특히 표면이 매끄럽고 깨끗한 유리 기구에서 발생하기 쉽다. 이는 액체 내부에 기포가 처음 생겨날 수 있는 지점, 즉 핵 생성 지점이 부족하기 때문이다. 기포 형성에서 가장 어려운 단계는 바로 이 초기 단계인데, 깨끗하고 매끄러운 표면은 이러한 핵 생성 지점을 거의 제공하지 않는다. 액체가 핵 생성 지점 없이 끓는점 이상으로 가열되는 것을 과열이라고 한다. 과열된 액체에서 일단 기포가 형성되면 매우 빠르게 성장하여 큰 증기 기포를 만들게 된다. 이 큰 기포는 액체를 시험관 등의 용기 밖으로 갑자기 밀어내는데, 이러한 현상이 돌비 현상이다. 이는 실험실 환경에서 예측하기 어렵고 빠르게 일어나기 때문에 실험자나 주변 사람들에게 위험할 수 있다. 또한, 액체를 끓였다가 다시 식히는 과정을 반복하면 액체 속에 녹아있던 기체가 점차 줄어들어 핵 생성 지점 역할을 할 수 있는 곳이 더욱 감소하게 된다. 따라서 가열과 냉각을 반복할수록 돌비 현상이 발생할 가능성은 더 높아진다.2. 2. 탈기된 액체
액체를 끓였다가 다시 냉각하는 과정을 반복하면, 각 가열 주기마다 액체 속에 녹아있던 가스가 점차 제거된다. 이처럼 액체에서 가스가 빠져나가는 현상을 탈기라고 한다. 탈기가 진행되면 액체 내부에 기포가 처음 생겨날 수 있는 지점, 즉 핵 생성 부위의 수가 줄어든다. 핵 생성 부위가 부족해지면 액체가 안정적으로 끓기 어려워지므로, 다음 번에 가열할 때 과열되었다가 갑자기 끓어 넘치는 돌비 현상이 발생할 가능성이 더 높아진다.3. 예방
돌비 현상을 예방하는 가장 일반적인 방법은 액체를 가열할 때 비등석을 한두 개 넣는 것이다.[2] 하지만 비등석만으로는 충분하지 않을 수 있으므로, 시험관, 플라스크 또는 삼각 플라스크와 같이 끓이기에 적합한 용기를 선택하는 것이 좋다. 시험관 등을 가열할 때는 만일의 경우 내용물이 튀더라도 사람이 없는 방향으로 향하도록 주의해야 한다.[2]
이 외에도 밀봉된 모세관을 넣어 핵 생성 자리를 만들어주거나,[3] 액체를 교반하여 큰 기포 생성을 막는 방법도 돌비 현상을 줄이는 데 도움이 된다. 액체를 식혔다가 다시 끓일 때는 사용했던 비등석의 효과가 떨어질 수 있으므로 새 비등석을 사용하는 것이 좋다.[2]
3. 1. 비등석 사용
끓어오름을 막는 가장 일반적인 방법은 반응 용기에 비등석 한두 개를 넣는 것이다. 하지만 비등석만으로는 끓어오름을 완전히 막지 못할 수도 있으므로, 액체를 끓일 때는 시험관, 플라스크, 삼각 플라스크 등을 사용하는 것이 좋다. 특히 시험관을 가열할 때는 만일의 끓어오름에 대비하여 사람 쪽을 향하지 않도록 주의해야 한다. 액체를 끓는점 아래로 식혔다가 다시 가열할 경우, 사용했던 비등석의 구멍이 용매로 막혀 제 기능을 하지 못하게 된다. 따라서 이럴 때는 반드시 새로운 비등석을 사용해야 한다.[2]3. 2. 용기 선택 및 가열 방법
끓어오름을 방지하려면 시험관, 플라스크 또는 삼각 플라스크와 같은 적절한 용기를 사용하는 것이 좋다. 특히 시험관을 가열할 때는 내용물이 튈 경우를 대비하여 사람을 향하지 않도록 주의해야 한다.[2]가장 일반적인 방법은 비등석을 한두 개 넣는 것이지만, 이것만으로 항상 끓어오름을 막을 수 있는 것은 아니다. 액체를 끓는점 아래로 식혔다가 다시 가열할 경우, 기존 비등석의 기공이 용매로 채워져 효과가 떨어질 수 있으므로 새로운 비등석을 사용해야 한다.[2]
다른 방법으로는 밀봉된 모세관을 용액에 넣어 핵 생성 자리를 제공하거나[3] 액체를 저어주는 것이 있다. 교반은 큰 기포 형성을 방해하고 교반 과정에서 작은 기포가 발생하여 끓어오름 가능성을 줄여준다.
3. 3. 기타 방법
밀봉된 모세관을 끓는 용액에 넣어 핵 생성 부위를 제공하는 방법도 있다. 이는 돌비 현상의 위험을 줄여주며, 사용 후 시스템에서 쉽게 제거할 수 있다.[3]액체를 교반하는 것 또한 돌비 현상 가능성을 줄이는 데 도움이 된다. 교반으로 인해 발생하는 소용돌이가 큰 기포가 형성되는 것을 방해하고, 교반 과정 자체가 기포를 생성하기 때문이다.
참조
[1]
웹사이트
Proper Heating of Test Tubes
http://crscientific.[...]
CR Scientific LLC
2010-10-30
[2]
서적
CHEM 2401 Lab Manual
Dalhousie University Chemistry Department
[3]
서적
Laboratory Manual for Principles of General Chemistry
https://books.google[...]
John Wiley and Sons
2010-11-01
[4]
웹인용
Proper Heating of Test Tubes
http://crscientific.[...]
CR Scientific LLC
2010-10-30
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