돌비현상

돌비[bumping,突沸 ]

액체가 끓는점이 되어도 끓지 않고, 끓는점 이상으로 가열된 후에 충격을 받거나 이물질등이 첨가되어 갑자기 끓는 현상을 말한다. 이를 막기 위해서는 끓기 전에 액체와 기체가 많이 만날 수 있도록 구멍이 많이 난 물체등을 넣어 끓이거나 모세관으로 공기를 넣으면 된다.

튐이라고도 한다. 1기압에서 물을 가열하면 끓는점 100℃에서 물의 증기압도 1기압이 되므로 액체 표면 뿐 아니라 내부에서도 기화가 시작되어 비등이 일어난다. 그러나 용기 안을 깨끗하게 하고 서서히 가열하면 물의 온도가 100℃에 이르러도 끓지 않고 100℃ 이상이 되는 과열현상이 일어난다. 이 현상은 준안정 상태이므로 외부로부터의 충격이나 먼지가 들어가는 등의 원인으로 한번 기포가 생기기 시작하면 매우 큰 기포를 생성하며 폭발적으로 끓는데, 이 현상을 돌비라고 한다.

과열현상 중에서 가장 많이 볼 수 있는 것으로, 심할 때는 액체가 비산하여 용기가 파손되는 경우도 있다. 일반적으로 비등은 액체 속 먼지 등에 부착되어 있던 공기분자의 소집단이 핵이 되어 액체 내부에 기포를 생성하기 때문에 시작된다. 따라서 미리 끓여서 안에 들어 있던 공기를 제거한 액체는 돌비를 잘 일으킨다. 돌비를 방지하려면, 액체 내 가열한 부분에 기체와 액체의 계면을 만들면 되는데, 모세관을 통해서 공기를 넣거나 구멍이 많은 비등석 조각을 넣는 방법 등을 사용한다.

Theory

Vacuum evaporators as a class function because lowering the pressure above a bulk liquid lowers the boiling points of the component liquids in it. Generally, the component liquids of interest in applications of rotary evaporation are research solvents that one desires to remove from a sample after an extraction, for instance, following a natural product isolation or a step in an organic synthesis. Use of a "rotavap" therefore allows liquid solvents to be removed without excessive heating of what are often complex and sensitive solvent-solute combinations.

Rotary evaporation is most often and conveniently applied to separate "low boiling" solvents such a n-hexane or ethyl acetate from compounds which are solid at room temperature and pressure. However, careful application also allows removal of a solvent from a sample containing a liquid compound if there is minimal co-evaporation (azeotropic behavior), and a sufficient difference in boiling points at the chosen temperature and reduced pressure.

Solvents with higher boiling points such as water (100 °C at standard atmospheric pressure, 760 torr), dimethylformamide (DMF, 153 °C at the same), or dimethyl sulfoxide (DMSO, 189 °C at the same), can also be evaporated if the unit's vacuum system is capable of sufficiently low pressure. (For instance, both DMF and DMSO will boil below 50 °C if the vacuum is reduced from 760 torr to 5 torr.) However, more recent developments are often applied in these cases (e.g., evaporation while centrifuging or vortexing at high speeds). Rotary evaporation for high boiling hydrogen bond-forming solvents such as water is often a last recourse, as other evaporation methods or freeze-drying (lyophilization) are available. This is partly due to the fact that in such solvents, the tendency to "bump" is accentuated (see below). The modern centrifugal evaporation technologies are particularly useful when one has many samples to do in parallel, as in medium- to high-throughput synthesis now expanding in industry and academia.

Evaporation under vacuum can also, in principle, be performed using standard organic distillation glassware — i.e., without rotation of the sample. The key advantages in use of a rotary evaporator are

1. that the centrifugal force and the frictional force between the wall of the rotating flask and the liquid sample result in the formation of a thin film of warm solvent being spread over a large surface.
2. the forces created by the rotation suppress bumping. The combination of these characteristics and the conveniences built into modern rotary evaporators allow for quick, gentle evaporation of solvents from most samples, even in the hands of relatively inexperienced users. Solvent remaining after rotary evaporation can be removed by exposing the sample to even deeper vacuum, on a more tightly sealed vacuum system, at ambient or higher temperature (e.g., on a Schlenk line or in a vacuum oven).

A key disadvantage in rotary evaporations, besides its single sample nature, is the potential of some sample types to bump, e.g. ethanol and water, which can result in loss of a portion of the material intended to be retained. Even professionals experience periodic mishaps during evaporation, especially bumping, though experienced users become aware of the propensity of some mixtures to bump or foam, and apply precautions that help to avoid most such events. In particular, bumping can often be prevented by taking homogeneous phases into the evaporation, by carefully regulating the strength of the vacuum (or the bath temperature) to provide for an even rate of evaporation, or, in rare cases, through use of added agents such as boiling chips (to make the nucleation step of evaporation more uniform). Rotary evaporators can also be equipped with further special traps and condenser arrays that are best suited to particular difficult sample types, including those with the tendency to foam or bump.
준안정 상태란, 과도한 냉각이나 포화와 같이,

어떤 물질이 온도등이 변화하여 천이점을 통과하더라도

이전과 같은 모양을 유지하는 상태를 말합니다.

즉 과냉각(supercooling), 과열(superheating), 과포화(supersaturation)등의 상태를 말합니다.

 

이해하기 쉬운 과포화를 예를 들겠습니다.

어떤 물질이 물에 녹는 양은 온도에 따라 한계가 있습니다.

설탕수용액을 예를 들자면

한 온도에서 설탕을 포화상태까지 녹인 후에 이 수용액을 냉각시키면

냉각된 그 온도에서 녹일 수 있는 양보다 더 많은 양을 녹일 수 있습니다.

이를 과포화라 하며 과포화 상태는 준안정상태의 예입니다.

하지만, 여기에 적은 양의 설탕을 넣는다던지

적당한 외부 충격을 준다던지 한다면

원래 녹을 수 있는 양을 제외하고 석출되어 나옵니다.

이러한 현상을 결정화(crystallization)라고 하며

결정화를 위해서는 위에서처럼 핵이나 외부에너지가 필요합니다.

 

과열도 마찬가지 입니다.

일반적인 끓는점에서 끓는다는 것은

준상태를 넘어갈 수 있는 적당한 에너지를 공급해 주거나

끓는데 도움을 주는 기타 요인(모래알등 불순물등)을 제공하는 것입니다.

외부요인인 차단된 물을 가열할 경우에는 과열을 유도할 수 있습니다.

돌비현상은 이렇게 유도된 과열된 액체에

불순물등을 제공하여 갑자기 끓어 넘치게 하는 것입니다



Ref
http://k.daum.net/qna/view.html?qid=2e4qm
http://doopedia.co.kr/m/doopedia/master/master.do?_method=view&MAS_IDX=49193
http://en.wikipedia.org/wiki/Rotary_evaporator