개념 한 쪽
화학공정 문제에서는 질량과 몰 보존, 반응식의 계수비, 단위 변환을 정확히 적용하는 것이 핵심이다. 전화율(conversion), 수율(yield), 선택도(selectivity)은 반응에서 실제 생성량과 이론량의 관계를 나타내는 중요한 개념으로, 주어진 생성량으로부터 필요한 반응물 양을 역산하거나 과잉공기율 같은 공정 설계 지표를 계산할 때 사용한다. 기체의 표준 상태 부피, ppm과 % 변환, 노르말 농도 계산 등 단위 변환도 자주 결합되므로 단계별 계산 습관을 기르는 것이 필요하다.
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출제기준 단원 「전화율, 수율 및 선택도」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 기체 생성량 계산 | 1 | 질량→몰→부피 변환으로 생성된 기체 부피를 구하기 |
| 전화율 적용 역계산 | 1 | 주어진 생성량과 전화율로 필요한 반응물 질량을 역산하기 |
| 단위 변환 기초 | 1 | ppm과 % 등의 농도 단위 변환을 수행하기 |
전화율(conversion)은 주어진 반응에서 반응물이 실제로 반응한 비율을 나타내는 변수이다. 예를 들어 생성된 생성물의 양이 목표의 일부만 얻어졌다면 전화율을 고려해 이론적으로 필요한 원료량을 계산하거나, 실제 생성량으로부터 원료 소비량을 추정한다. 전화율을 적용할 때는 생성물의 이론적 생성량과 실제 생성량의 관계를 명확히 하여 역계산을 수행해야 한다.
수율(yield)은 실제 생성된 생성물의 양을 이론적으로 얻을 수 있는 최대량과 비교한 비율로 정의한다. 수율은 공정의 효율을 나타내는 지표이므로 생산량 요구치가 주어졌을 때 필요한 원료 또는 반응 조건을 결정하는 데 사용한다. 문제에서 '제조량'과 '전화율'이 함께 주어지면 제조량을 전화율로 나누어 이론 생성량을 구한 뒤 반응식의 계수비로 반응물량을 산출한다.
선택도(selectivity)는 여러 가능한 생성물 중 특정 생성물의 생성 비율 또는 목표 생성물에 대한 반응물의 소비 비를 설명하는 지표로 사용된다. 선택도는 반응 경로별 몰수비로 해석할 수 있으며, 여러 생성물이 경쟁적으로 생성되는 경우 원소 수지와 계수비를 이용해 선택도를 평가한다.
기체-액체 상변화, ppm↔% 변환, 노르말 농도 계산 등은 전화율·수율 계산과 결합되어 출제된다. 표준상태에서 기체 1몰은 22.4L라는 관계를 이용해 부피↔몰↔질량 변환을 수행하고, ppm은 백만분율(10^-6)이고 %는 백분율(10^-2)이므로 ppm을 %로 바꿀 때는 10,000으로 나누어야 한다. 노르말 농도는 용질의 당량수(당량수 = 몰수 × 가수) ÷ 용액의 리터 수로 계산한다.
(문제 스타일 요약) 표준상태 기체의 부피를 질량으로 바꾸거나 ppm을 %로 변환하거나 노르말 농도를 구하는 문제는 '단위 변환 규칙'을 먼저 적용하고, 이어서 반응식의 계수비와 전화율·수율 관계를 적용하면 해결할 수 있다.
탄소 3g이 산소 16g 중에서 완전 연소되었다며 연소 후 혼합기체의 부피는 표준 상태를 기준으로 몇 L인가?
정답 ② · 문항은 주어진 탄소와 산소 질량으로 완전연소 시 생성되는 기체 혼합물의 부피를 표준상태 기준으로 묻는다. 탄소 3 g은 탄소 원자량 12 g/mol로 0.25 mol이고 완전연소 시 CO2로 전환되어 CO2 생성량은 0.25 mol이다.
탄소 3g은 0.25mol이므로 완전 연소 시 이산화탄소 0.25mol이 생성되며, 표준상태에서 부피는 22.4L/mol을 곱해 5.6L가 된다.
헵탄(C7H16)을 태워 드라이아이스 CO2(S)를 제조한다. CO2 기체에서 드라이아이스의 전화율은 50%이고 시간당 드라이아이스의 제조량이 500kg 일 때 필요한 헵탄의 양은?
정답 ① · 문항은 헵탄을 연소시켜 드라이아이스(CO2)를 제조할 때 주어진 생성량과 전화율로 필요한 헵탄 질량을 구하는 문제이다. 화학양론상 C7H16 1 mol 연소 시 CO2 7 mol 생성되므로 드라이아이스 순생산 500 kg/h가 실제 생성량이고 전화율 50%를 고려하면 이론적으로는 500/0.5 = 1000 kg/h만큼의 CO2가 생성되어야 한다.
화학양론적으로 헵탄 1몰당 CO2 7몰 생성되므로, 전화율 고려 후 역계산하면 325kg/h가 된다.
10ppm SO2을 %로 나타내면?
정답 ② · 농도 단위를 변환하는 기본 양론 문제입니다. ppm은 백만분율을 의미하고, %는 백분율을 의미합니다.
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