개념 한 쪽
화학반응 해석에서 어떤 반응물이 먼저 소모되는지, 공급된 혼합물 중 남는 성분이 얼마인지 판단하는 능력이 핵심이다. 반응식의 계수비로 이론적 소모량을 구하고, 과잉 공급이나 비활성 성분을 고려해 전체 혼합물 중 목표 성분의 비율이나 미반응량을 계산한다.
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출제기준 단원 「한정반응물과 과잉반응물」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 연소 후 미반응 산소량 판정 | 1 | 연소 반응의 화학양론으로 공급된 산소에서 소비된 산소를 빼 미반응량을 계산 |
| 과잉공기 적용 혼합물 조성 | 1 | 과잉공기비를 적용하여 혼합기체 내 특정 성분의 몰분율을 구함 |
| 몰분율→질량비 변환 | 1 | 공기의 몰%를 분자량으로 가중하여 O2/N2의 질량비를 계산 |
한정반응물과 과잉반응물 문제는 반응식의 화학양론적 계수관계를 출발점으로 삼는다. 반응식에서 각 성분의 몰비를 확인한 뒤, 주어진 유입량이나 질량을 몰수로 환산하여 소요량을 계산한다는 원칙을 따른다. 이 과정을 통해 어느 성분이 제한요인인지 파악하고 필요한 소모량을 판단한다.
과잉공기와 같이 공급량이 이론량보다 많은 경우에는 '과잉비'를 이론소요량에 곱하여 실제 투입량을 구한다는 규칙을 적용한다. 예컨대 '30% 과잉공기'는 이론적으로 필요한 산소량의 1.3배를 공급한다는 뜻으로 해석한다. 공기와 같은 혼합기체를 고려할 때는 공기 중 산소와 질소의 분율을 이용해 질소 등 비활성 기체의 양을 함께 계산한다.
몰분율(혹은 몰%)을 질량비로 바꿀 때는 각 성분의 분자량을 곱해 질량을 구한 뒤 비율을 산출해야 한다는 점을 반드시 기억한다. 몰비는 분자 수의 비율이므로 질량 비교를 위해 분자량 가중을 거치지 않으면 오차가 발생한다는 점을 유의한다.
미반응 물질의 배출량은 단순히 유입량에서 소비량을 차감하여 구한다는 기본 식을 활용한다. 또한 기상반응처럼 생성물의 몰수가 달라져 체적이 변하는 경우에는 확장계수와 초기 몰분율을 이용해 체적변화를 계산한다는 접근을 사용한다.
대표적 계산 1 — 미반응 메탄의 배출량 계산 절차를 보인다. 전체 몰유속이 20mol/hr이고 메탄 몰분율이 25%이면 메탄 유입량은 20×0.25=5mol/hr이 된다. 문제에서 메탄의 소비속도가 2mol/hr로 주어졌으므로 미반응 배출량은 유입량에서 소비량을 빼서 5−2=3mol/hr가 된다.
대표적 계산 2 — 공기 중 산소와 질소의 질량비 계산 절차를 보인다. 공기 몰%가 O2 21, N2 79일 때 100mol 기준으로 산소 질량은 21×32=672g, 질소 질량은 79×28=2212g가 된다. 따라서 O2/N2 질량비는 672/2212≈0.303이 된다.
이들 계산은 모두 화학양론적 몰수 변환과 단위 일치 원칙을 따르며, 불필요한 정보를 소거하여 핵심만 적용해야 정답에 도달한다는 점을 보여준다.
공기 319kg 과 탄소 24kg 을 반응로 안에서 완전연소 시킬 때 미반응 산소의 양은 약 몇 kg 인가?
정답 ① · 문제는 주어진 공기와 탄소를 완전연소시킬 때 남는 미반응 산소의 질량을 계산하는 것이다. 탄소 24 kg은 몰수로 24/12 = 2 kmol이고 C + O2 → CO2 반응에서 O2는 동일한 몰수(2 kmol) 필요하므로 필요한 O2 질량은 2 × 32 = 64 kg이다.
탄소 완전연소 반응식에서 필요 산소량을 계산하고, 공기 중 산소량에서 차감하여 미반응 산소를 구한다.
4HCl+O2→2H2O+2Cl2 의 반응으로 촉매 존재 하에 건조 공기로 건조 염화수소를 산화시켜 염소를 생산한다. 이때 공기를 30% 과잉으로 사용하면 반응기에 들어가는 기체 중 HCl 의 부피조성은 몇 %인가? (단, 공기 중의 산소의 부피조성이 21% 이다.)
정답 ② · 반응식 4HCl + O2 → 2H2O + 2Cl2 에서 이론적 O2 필요량은 HCl 4mol당 1mol입니다. 공기를 30% 과잉 사용하므로 실제 O2는 1.3mol 투입됩니다.
화학양론으로 이론 산소량을 구한 후 과잉 공기비를 적용하여 전체 몰수를 계산하면 HCl 부피조성 ②번이 된다.
공기의 O2와 N2의 몰%는 각각 21.0과 79.0이다. 산소와 질소의 질량비(O2/N2)는 약 얼마인가?
정답 ③ · 공기 중 O2와 N2의 몰 분율은 곧 부피 분율과 동일합니다. 편의상 공기 100몰이라고 가정하면 O2는 21몰, N2는 79몰이 존재합니다.
몰비를 분자량으로 곱해 질량을 구한 후 비율을 계산하면 O2/N2 질량비는 약 0.303이 된다.
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