화학실험기구

화학실험기구에는 젓는데 쓰이는 유리막대처럼 단순한 것에서부터 정밀분류에 쓰이는 정밀한 장치까지 종류가 매우 많다.   분광분석장치나 질량분석장치 등의 분석기기에 비하면 간단하고 가격도 저렴하지만 양쪽의 구별은 명확하지 않다. 양쪽을 총칭하여 화학기기라고 한다.   재료에 따라 나누면 비커, 뷰렛 등의 유리기구와 가스버너, 백금도가니 등의 금속기구가 있고, 최근에는 플라스틱기구도 쓰고 있다. 사용 목적에 따라서는 물질의 분해·반응·분리·정제·측정 등의 실험에 쓰이는 기구로 분류할 수 있다.   화학실험기구에는 그 용도·기능·모양에 따라 독특한 이름이 붙어 있는 것이 많다. 또 창안자의 이름을 붙인 것도 많다. 범용성(汎用性)이 있는 것은 다량으로 생산·판매되고 있지만, 특수한 목적의 실험에서는 실험자가 스스로 조립·제작하는 경우도 있다. 종래의 화학실험에서는 수동조작하는 장치를 썼으나, 현재는 자동조작되는 장치를 많이 쓰고 있다. 계측기구·계기류 등의 기계는 측정기기라고 한다.   화학실험측정에서 가장 기본이 되는 무게측정용 저울에는 아주 정밀한 것부터 개략값 측정용까지 있는데, 현재는 자동화·전자화 되어 오히려 측정기기에 속한다고 할 수 있다.   조작이나 보수(保守)에는 세심한 주의가 필요하지만, 다루기는 수동인 것보다 편리하다. 화학저울로 시료를 정확히 재는 데에는 측량용 병을 사용하고, 개략값을 다는 데에는 시계접시를 쓴다.   시료의 건조와 보존에는 데시케이터가 쓰이고, 건조제로는 실리카겔·염화칼슘·과염소산마그네슘·오산화인·진한 황산·수산화나트륨 등이 쓰인다.   ⑴부피측정기 :   액체나 용액의 부피를 측정하는 기구에는 피펫·뷰렛·메스플라스크·메스실린더 등이 있다. 피펫과 뷰렛은 배출되는 부피를 측정하는 부피계이고, 메스플라스크와 메스실린더는 담겨 있는 부피를 측정하는 부피계이다.   피펫에는 각선(刻線)까지 채운 전체부피를 측정하는 홀피펫과, 액면의 이동을 눈금으로 읽어 배출된 부피를 측정하는 메스피펫이 있다. 뷰렛은 부피분석용의 기본적인 부피계인데, 용도에 따라 여러 가지 형식이 있다. 피펫·뷰렛은 모두 조작을 자동화한 것, 또는 미량을 고정밀도로 측정할 수 있는 것이 개발되어 있다. 메스플라스크는 농도가 정확히 정해진 용액의 조제에 쓰인다. 메스실린더는 원래 액면의 이동을 눈금으로 읽어 부피의 변화를 측정하는 부피계인데, 일반적으로는 오히려 액체의 일정량을 갈라내는 데 쓰이는 일이 많다. 이 경우 피펫이나 뷰렛에 비하면 정밀도는 훨씬 떨어진다. 비커나 플라스크에도 부피를 나타내는 선이 새겨져 있는 제품도 있으나, 이들은 부피계가 아니므로 눈금에 대한 보증은 없다. ⑵용기 : 원통형이고 위에 입구가 있으며 바닥이 편평한 것을 비커라 한다. 위쪽으로 갈수록 좁아지는 비커는 삼각비커 또는 코니컬비커라고 한다. 이것은 용액의 조제나 온화한 반응의 용기로 쓰인다. 플라스크는 목이 가는 용기로서 둥근바닥플라스크·넓적바닥플라스크·삼각플라스크 등이 있다. 가열과 증류, 그리고 약간 심한 반응에 쓰인다. 일반적으로 액체는 입구가 좁은 병에, 고체는 입구가 넓은 병에 보존한다. 부피계를 포함한 이러한 용기들은 유리제가 많지만 내용에 따라서는 폴리에틸렌제·도자제·스테인리스스틸제 등도 쓰인다.   ⑶분리용 기구 :   액체 속의 불용성 물질 또는 용액에서 생성된 침전을 분리하는, 즉 액체상(液體相)과 고체상의 분리에는 거르기(여과)가 이루어진다. 걸러서 고체를 가려내는 일을 여과법(濾過法)이라고 한다.   거르기에는 자연유하법(自然流下法)과 흡인여과법이 있다. 자연유하법은 깔때기와 거름종이, 또는 이를 대신하는 여과층을 써서 액체를 자연유하시켜서 고체를 가려낸다. 거름종이에는 회분이 적고 순도가 높은 정량용(定量用) 거름종이와, 정성용(定性用) 거름종이가 있다. 정량용 거름종이는 여과하는 침전물 입자의 지름에 따라 눈의 조밀도가 3∼4단계로 나누어져 있다.   철이나 알루미늄의 수산화물 등에는 눈이 거친 것, 황산바륨 등에는 눈이 가는 것이 적합하다. 정성용 거름종이에서는 종이의 섬유·규산 및 철 등이 용액에 섞여 들어갈 염려가 있으므로 주의해야 한다. 거름종이는 거르기에 쓰일 뿐만 아니라 종이크로마토그래피의 흡착매질(吸着媒質)로 쓰거나, 흡습성을 이용해서 합성품의 건조에 쓰기도 한다. 흡인여과법은 깔때기 다리와 용기 입구를 밀착시키고, 용기의 내부를 수류(水流)펌프나 진공펌프로 배기해서 여과속도를 빠르게 하는 방법이다. 고체를 여과해내는 목적으로는 부흐너깔때기와 흡인병을 쓰지만, 거른 액이 필요할 때는 유리여과기 등을 쓰기도 한다. 부흐너깔때기에는 바닥 안쪽의 지름보다 약간 작은 원형 거름종이를 여과층으로 쓴다.   유리여과기는 자잘한 구멍이 통하고 있는 융착(融着)유리를 여과층으로 하고 있다. 여과한 침전을 그대로 정량분석할 때는 구치도가니나 유리도가니와 같은 여과도가니를 쓴다. 수류펌프는 아스피레이터라고도 하는데, 앞끝의 가는 노즐에서 유체를 힘차게 분출시키면 주위의 기체가 끌어당겨져서 감압되는 원리를 이용하고 있다.   서로 섞이지 않는 두 액체상이 있어, 한쪽 액체상의 용질 또는 현탁물을 다른 쪽 액체상으로 옮기는 조작을 용매추출이라 한다. 용매추출용의 간편한 기구에는 분액깔때기가 있다. 용매를 환류(還流)시키면서 고체상에서 연속추출하는 장치에는 속슬렛추출기가 있다. 환류란 액체를 가열기화시킨 다음 냉각액화시켜 원래의 용기로 되돌리는 조작이다. 이에는 환류냉각관이 쓰인다. 증류는 액체를 가열기화시킨 다음 냉각액화시켜 다른 용기에 옮기는 조작이다. 증류용에는 둥근바닥플라스크·냉각관·수납용기를 조합한 장치를 이용하지만 증류수를 만드는 장치가 되어 있는 것도 있다.   액체의 끓는점이 높거나 고온에서 분해되는 종류의 액체는 감압증류하는 것이 보통이다. 증류계통을 진공펌프로 배기하면서 증류하는데, 각 기구의 접합부는 꼭 물려서 기밀(氣密)을 유지한다. 둥근바닥플라스크 외에 클라이젠플라스크 등이 쓰인다. 리비히냉각기는 가장 일반적인 증류용 냉각관이다.   용액에서 용매를 증발 비산(飛散)시키는 데에는 증발접시를 쓴다. 바닥이 편평한 것이 결정접시인데, 이것과 같은 모양이지만 입구가 없고 뚜껑이 달린 것을 페트리접시 또는 샬레라 하고, 세균배양이나 소형기구의 보존용기로 쓴다. 어떤 매질 속에서 각 성분의 이동의 차이를 이용하는 혼합물 분리법에는 존융해법·전기이동법·크로마토그래피 등이 있다.   크로마토그래피에서는 고정된 매질을 고정상(固定相), 이동하는 액체나 기체를 이동상이라 한다. 고정상으로는 거름종이, 유리판 위에 바른 겔, 고체운반체에 흡착한 액체, 산화알루미늄, 이온교환수지 등이 있다. 거름종이를 쓰는 것을 종이크로마토그래피, 이온교환수지를 쓰는 것을 이온교환크로마토그래피, 기체혼합물을 분리하는 것을 기체크로마토그래피라고 한다.   ⑷반응용 기구 :   시험관은 가장 간단한 반응용기이며 크기는 다양하다. 플라스크에는 시약의 첨가, 통기(通氣), 측정 등의 편의를 위해 입구가 여러 개 있는 다구(多口) 플라스크가 있다.   이 용기의 내용물을 교반하는 데에는 유리나 플라스틱 속에 봉입한 철조각을 용기 안에 넣고 외부에서 자석을 모터로 회전시켜 내부를 휘저어 섞는 자기교반기(磁氣攪拌機)를 많이 이용한다.   수분이나 산소를 꺼리는 반응은 밀폐계통의 기구나 또는 외부에서 질소 또는 아르곤가스를 계속 보내주는 계통의 기구로 하는데, 특히 저압을 필요로 하는 경우에는 유리관에 여러 가지 유리 용기나 기구를 접합해서 전체를 진공펌프로 배기하는 진공계통의 기구를 이용한다.   ⑸가열실험기구 :   실험실용 열원으로 가장 간편한 알코올램프는, 발생열량이 그다지 크지 않은 단점이 있으나 이동이 간편한 이점도 있다. 가스버너는 널리 쓰이는 열원이다. 분젠버너가 유명하기는 하나 실제로 많이 쓰이는 것은 테클루버너이다. 테클루버너는 도가니의 내부를 1000℃ 정도로 높일 수 있다. 점화구(點火口)를 넓히고 그물을 씌운 메케르버너는 1200℃까지도 올릴 수 있다.   불을 꺼리는 실험에서는 전기열원을 이용한다. 온도센서나 바이메탈로 온도를 감지하여 전류를 단속시킴으로써 온도를 제어하기도 쉽다. 특히 고온이 필요할 때는 아크로(爐)처럼 특수한 노도 쓰인다. 전열선을 끼워 넣은 기구를 노벽으로 하는 전기로에는 직육면체의 가열실을 가진 보통의 것 외에, 도가니의 가열에 적합한 도가니로와 관의 가열에 적합한 관상로(管狀爐) 등이 있다. 내열성의 관으로는 석영관·바이코어유리관이 쓰인다.   수백℃ 정도의 가열에는 금속판 전체를 거의 균일하게 가열해서 열원으로 삼는 핫플레이트, 유리섬유포 속에 전열선을 넣어 굴곡성을 붙인 리본히터, 플라스크의 바닥에 맞춘 맨틀히터 등을 이용한다. 헤어드라이어와 같은 원리로 된 열풍분출기는 실험장치의 국부적 가열에 좋다. 적외선램프도 서서히 일어나는 용매의 증발 등에 적합한 열원이고, 백열전구도 소규모 열원으로 이용된다. 시약이나 유리기구의 건조에는 전기건조기를 이용한다. 이 방법은 공기욕(空氣浴)의 일종이다. 금속제 용기에 물 또는 기름을 넣고 이것을 가열해서 열매체로 삼아 간접적으로 다른 용기를 가열하는 장치를 탕욕(湯浴) 혹은 유욕(油浴)이라 한다. 무게분석에서 침전물을 가열하여 항량(恒量)을 측정하는 데는 질도가니·석영도가니·백금도가니·구치도가니 등이 사용된다.   실험목적에 따라 흑연·산화알루미늄·니켈·탄탈 등의 도가니도 사용된다. 유리도가니는 비교적 저온에서 건조항량하는 무게분석용이다. (휘발성분을 증발시켜 일정한 무게가 되었을 때 항량에 도달했다고 함) 실온 가까이의 일정한 온도를 장시간 유지하는 데에는 정온조(定溫槽)가 이용된다. 물 또는 기름을 열매체로 해서 열매체가 되는 온도제어장치에 의해 정온을 유지한다. 생화학에서는 37℃ 정도의 정온조가 중요한데, 정밀한 온도제어를 할 수 있는 공기욕도 이용된다. 특히 정밀성을 필요로 하는 측정은 공기조절이 되어 있는 정온실이나 정온정습실(定溫定濕室)에서 한다.   ⑹저온실험기구 :   저온을 얻기 위하여 냉장고·냉동고·냉동실이 이용되는데, 실험장치를 국부적으로 냉각하는 데는 듀어병이 쓰인다. 이는 이중유리관의 내부를 금속으로 도금하고 진공탈기(眞空脫氣)한 용기이며, 단열성이 뛰어나다. 예를 들면 이 병에 얼음과 염화나트륨, 드라이아이스와 메틸알코올, 액체질소 등의 냉각제를 넣고 거기에 반응용기를 담그면 된다.   실온 이하에서부터 －180℃ 이상 정도의 온도범위에서 연속적으로 온도제어를 하려면 액체질소용기 속에 전기히터를 투입하고 전류를 조절하면서 기체질소의 증발량을 증감해서 발생한 저온질소기체의 유량(流量)을 이용해서 간접적으로 냉각시키는 장치를 쓴다. 더욱 낮은 온도는 액체수소(끓는점 20K)·액체헬륨(끓는점 4.2K)을 이용한다. 이와 같은 냉각장치를 크라이오스탯이라 한다.   ⑺기체실험기구 :   대표적인 기체발생장치로서 킵장치가 있는데, 실험실에서 소규모로 기체를 발생시키는 데에는 고체의 가열분해, 액체의 가열, 산·염기와 금속·금속염과의 반응, 휘발성산에 대한 비휘발성산을 첨가하는 등 갖가지 화학반응이 이용된다. 발생한 기체는 건조탑이나 씻기병을 통해 정제한다. 탈수제나 흡수제는 기체의 성질에 따라 선택한다.   산성기체의 건조에는 진한 황산 또는 오산화인이 적합하다. 염기성기체에는 수산화나트륨·산화칼슘 등이 적합하며 이들은 동시에 이산화탄소의 흡수제가 되기도 한다. 비교적 많은 양의 기체를 연속적으로 만들려면 고압가스용기(봄베) 즉 강철로 만든 원통형 내압용기를 쓰는데, 안전성을 확보하기 위해 법정규격품을 써야 한다.   ⑻기타 기구 :   고체시료를 분쇄하는 데에는 막자사발이 쓰인다. 도토제(陶土製)·경질(硬質)알루미나제·마노제가 쓰이고 있으며 마노제는 매우 단단하여 암석 등의 분쇄에 이용할 수 있으나 타격에는 약하므로 두드리면 안된다.   또, 거친 분쇄에는 강철절구가 쓰이고, 다량의 분쇄에는 볼밀(ball mill) 등의 분쇄기가 이용되는 경우도 있다. 액체와 고체를 분리하는 데에는 원심분리기를 쓰는 일이 많은데, 실험대 위에서 손으로 돌리는 것부터 대형의 전동원심분리기에 이르기까지 성능이 다양하다.   생화학분야에서는 저온에서 하는 냉동원심분리기나, 고속으로 회전시키는 초원심분리기가 이용되고 있다. 실험실에서 다량으로 쓰이는 고순도수(高純度水)에는 일반적으로 탈이온수와 증류수가 있다.   탈이온수는 이온교환수지로 공존하는 이온을 제거한 물인데, 전기전도도만으로 본다면 고순도이지만, 콜로이드 등의 불순물이 남을 우려가 있다. 증류수에는 원수(原水)인 상수에 첨가한 염소나, 기벽(器壁)에서 우러나는 미량의 용출물이 섞이는 수가 있다. 이온교환처리와 증류를 병행하면 순도가 매우 높은 물을 만들 수 있다.