카페인의 추출과 분리

ⓒ사진출처: 픽사베이

 

<실험 목적>

화합물의 분리와 정제에 사용되는 추출법을 이용하여 찻잎에서 카페인을 추출한다.

 

<실험 원리>

 

1. 혼합물(Mixture)

둘 이상의 여러 물질이 화학 반응 없이 섞여 있는 것을 말한다. 크게 균일 화합물, 콜로이드, 그리고 불균일 혼합물의 세 가지로 나뉜다.

>화합물을 분리하는 과정

화합물의 특성에 따라서 매우 다양하다.

a. 고체가 액체와 함께 혼합되어 있을 경우에는 기름종이와 깔때기를 이용하여 간단하게 분리할 수 있다.

b. 휘발성이 큰 용매와 함께 혼합된 경우에는 용매를 증발시켜서 순수한 화합물을 얻을 수 있다.

c. 어떤 용매에 녹는 특성이나, 종이나 충전층을 지나가는 속도가 다른 특성을 이용한 '크로마토그래피' 방법을 사용하기도 한다.

 

2. 용해도(Solubility)

용해도는 용질이 용매에 포화상태까지 녹을 수 있는 한도를 말하는데, 보통 용매 100 g 당 녹을 수 있는 용질의 양(g)을 의미한다. 온도, 용매와 용질의 종류 등에 영향을 받는다. 대부분의 경우 온도가 높아질수록 고체의 용해도는 보통 증가하고, 기체의 용해도는 감소한다. 용해도를 표지할 때는 용질, 용매의 종류, 측정한 온도와 같이 표시해야 한다. 온도에 따른 용해도 변화를 나타낸 그래프를 용해도 곡선이라 한다. 기체의 용해도는 압력에도 영향을 받는다. 낮은 압력에서 용매에 대한 용해도가 크지 않은 기체는 그 기체의 용해도가 그 기체의 부분압력에 비례하는데, 이를 헨리의 법칙(Henry's law)이라 한다.

 

3. 추출(Extraction)
용매에 따라서 화합물이 녹는 특성이 큰 차이를 보이는 경우에 사용하는 분리 방법이다.

예) 음식물이나 한약을 물에 넣고 끓이는 것도 식품이나 한약재에서 뜨거운 물에 잘 녹는 성분이 녹아 나오는 추출 현상을 이용한 것이다.

-> 화학 실험실에서는 이처럼 고체에 포함된 화합물을 녹여내는 경우는 물론이고, 수용액과 유기 용매에 녹는 특성이 다른 점을 이용한 추출 방법도 널리 사용한다.

 

4. 분리(Separation)

물에 잘 녹지 않는 유기 용질은 유기 용질을 잘 녹이면서도 물과 섞이지 않는 유기 용매를 사용하여 유기 용매 층으로 추출할 수 있다.

 

5. 분배 계수(Distribution Coefficient)

물과 유기 용매가 담긴 분별 깔때기를 잘 흔들어주면 용질이 두 용매 층 사이에서 평형을 이루게 되고, 이 떄 두 층에서의 용질의 농도비를 '분배 계수 k'이라고 부른다.

 

>분배 계수가 1보다 큰 경우

같은 부피의 용매 A와 B를 사용할 때는 처음에 B에 녹아있던 용질의 절반 이상이 용매 A로 옮겨가게 되고, 용매 A를 분리해서 적당한 방법으로 용매를 제거하면 용질을 얻을 수 있게 된다.

 

이런 추출 방법을 여러 차례 반복해서 적용하면 용질을 상당히 순수한 형태로 얻을 수 있으며, 광물이나 석유정제 또는 식품 가공 등에 널리 활용되고 있다.

 

>이 실험에서는

 

-홍차 잎에 포함된 카페인을 뜨거운 물로 추출한 다음에 물과 섞이지 않는 메틸렌 클로라이드 용매를 사용해서 물에 녹아있는 카페인을 순수한 상태로 분리한다.

- 카페인이 수용액에서 유기용매 층으로 쉽게 빠져나가도록 하기 위해서 분별 깔때기에 두 용액을 함께 넣고 흔들어 주어야 한다.

하지만 분별 깔때기를 너무 세게 흔들면 섞이지 않는 용매의 작은 방울로 된 '에멀젼'이 만들어져서 분리 효과가 떨어질 수 있다.

-수용액 층에 NaCl과 같은 염을 넣어주면 수용액에 녹아있는 유기물이 유기 용매 층으로 더 많이 옮겨가는 경우가 있으며 이런 현상을 '염석효과'라고 한다.

 

Q1. 탄산칼슘(CaCO3)을 넣어주는 이유?

 

탄산칼슘은 카페인 추출에서 불순물을 제거하는 역할을 한다. 홍차 안에 카페인과 아주 유사한 물질이 있는데 이것을 걸러주기 위해서 넣어주며, 넣어주는 물질을 '산성'이라고 한다. 따라서 염기인 탄산칼슘을 넣어주면 그 물질과 반응을 해서 침전이 만들어지게 된다.

 

Q2. 염화나트륨(NaCl)을 넣어주는 이유?

물 층에 있는 카페인을 더 많이 MC 층으로 옮기기 위해서 포화 염화 소듐(염화나트륨) 수용액을 넣는다. 염화나트륨을 넣게 되면 물은 카페인보다는 이온인 염화나트륨을 더 잘 녹이고 카페인을 덜 녹이게 되어 MC 층에 더 녹게 되는데 이러한 현상을 염석효과라고 한다.

 

Q3. 황산마그네슘(MgSO4)을 넣어주는 이유?

수분을 제거하기 위해서이다.

 

> 분별 깔때기 사용 방법

1. 장치를 설치하고 콕을 잠근다.

2. 혼합물을 깔때기에 넣는다.

3. 용액을 부은 후에 깔때기의 뚜껑을 닫고, 혼합 용액을 위아래로 흔든다.

(필요에 따라서 뒤집었을 때 콕을 열었다가 재빨리 닫아서 가스를 뺴주기도 한다)

4. 밀도가 높은 물질이 아래쪽으로 몰려 위 아래층으로 혼합물이 분리된다. 콕을 살짝 열어서 아래층의 물질만 분리해 낸다. 분리가 끝나면 콕을 닫는다.

 

<실험 고찰>

이번 실험은 용매의 용해도의 차를 이용하는 '추출'의 방법으로 녹차에서 카페인을 분리해내는 실험이었다. 몇 가지 오차의 원인이 있는데, 유 층과 수층으로 나누어진 분별 깔때기에서 유 층인 MC 층을 제대로 분리하지 못한 점이다. 이러한 이유로 수분을 제거하기 위해 과량의 황산마그네슘을 사용할 수밖에 없었다. 이러한 오차를 줄이기 위하여 분별 깔때기로 용액을 분리할 때는 제대로 분리해야 할 것이다.

이번 실험에서 중요한 용어로는 '분별 깔때기'와 '염석효과'를 들 수 있다. '분별 깔때기'는 서로 섞이지 않는 두 액체의 혼합물을 밀도 차이를 이용하여 분리하는 데 사용되는 유리 기구이다. 두 번째로 '염석효과'는 수용액 층에 염(이 경우 염화나트륨)을 녹여 수용액 층을 포화시켜줌으로써 수용액 층과 유기 용매 층에 분배된 물질이 유기용매 층으로 더욱 많이 이동하도록 하는 것이다. 이 떄 수용액 층이 포화하여 유기층에 있는 수분도 수용액 층으로 이동하는 효과를 가져오게 된다.

 

출처

 

 

 

https://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%98%BC%ED%95%A9%EB%AC%BC

혼합물 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

 

 

 

https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%9A%A9%ED%95%B4%EB%8F%84

용해도 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

 

 

 

https://www.scienceall.com/%ED%83%84%EC%82%B0%EC%B9%BC%EC%8A%98calcium-carbonate/

https://blog.naver.com/flcory429/222583181783

[케미러브] 커피 속의 카페인 추출하기! <케미스트리 실험실>

 

 

 

https://blog.naver.com/candy_light/222643967892

과학실험 - ⑩ / 분별 깔때기

 

 

 

[도서] 일반화학실험(화학교재연구회, 사이플러스)

https://book.naver.com/bookdb/book_detail.naver?bid=10237053 

일반화학실험