개념 한 쪽
천연가스는 액화하여 수송·저장 효율을 높이고, 석유화학 공정에서는 열분해나 접촉분해 같은 방식으로 다양한 탄화수소를 만든다. 각 공정은 생성물 분포와 반응 메커니즘에서 뚜렷한 차이를 보이므로 그 핵심을 구분할 필요가 있다.
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출제기준 단원 「천연가스」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 열분해 생성물 판단 | 1 | 고온 분해에 따른 올레핀 생성 여부를 가리기 |
| 옥탄가 특성 구분 | 1 | 탄화수소 구조와 옥탄가 관계를 판별하기 |
| 접촉분해 특징 식별 | 1 | 촉매 사용과 생성물 분포 차이를 설명하기 |
LNG는 Liquid Natural Gas의 약자로 천연가스를 극저온으로 냉각하여 액화한 것을 의미한다. 액화하면 부피가 약 1/600로 줄어 해상 수송과 저장이 용이해지므로 국제 거래에서 널리 활용된다. 영어 약자 각 단어의 의미를 연결해 기억하는 방식이 유용하다.
원유와 달리 천연가스의 주요 성분은 메탄 등 가벼운 탄화수소이며, 원유에 비해 올레핀과 같은 불포화탄화수소는 자연 상태에서 거의 존재하지 않는다. 올레핀은 주로 석유를 고온에서 분해하는 열분해 공정에서 대량으로 생성된다. 따라서 원유 조성과 공정에 따른 생성물의 차이를 명확히 구분해야 한다.
석유화학 공정에는 열분해와 접촉분해(촉매분해)가 있다. 열분해는 고온에서 라디칼 기구로 무작위적 분해가 일어나 올레핀과 같은 불포화물이 많이 생성되고 코크스나 타르 형성도 많아진다. 반면 접촉분해는 고체산 촉매 하에서 카르보카티온 기구로 진행되어 분지형 알칸이나 올레핀 분포가 달라지며 코크스 생성이 상대적으로 적다.
접촉분해는 촉매 사용으로 방향족 탄화수소 생성이 증가할 수 있으므로, 방향족 생성 여부는 촉매 작용을 고려하여 판단해야 한다. 반대로 열분해는 무작위 라디칼 반응 특성으로 올레핀이 증가한다는 점을 핵심으로 삼는다. 두 공정의 기구와 생성물 분포 차이는 문제 풀이의 기본 원리로 작용한다.
도시가스 제조에 적용되는 수증기 개질과 같은 반응에서는 평형과 엔탈피 변화를 통해 온도나 수증기 비 변화가 생성물에 미치는 영향을 판단한다. 흡열 반응에서는 온도가 올라가면 생성물 측으로 이동하는 경향을 보이고, 수증기 비를 늘리면 수소 생성이 촉진되는 등의 르 샤틀리에 원리가 적용된다.
문제에서는 LNG의 의미, 열분해와 접촉분해의 생성물 차이, 그리고 탄화수소 구조와 옥탄가의 관계를 혼동하는 문항이 자주 출제된다. 예를 들어 원유에 올레핀이 많다고 하면 오류이며, 열분해에서 올레핀 생성이 많다는 설명과 접촉분해가 촉매를 사용한다는 설명은 옳다. 옥탄가 관련에서는 분지형 알칸이 직쇄형보다 옥탄가가 높다는 점을 적용한다.
일반적으로 원유 속에 거의 포함되어 있지 않지만 열분해등을 통해 다량 생성되는 탄화수소는?
정답 ② · 문제는 원유에는 거의 포함되지 않지만 열분해 등을 통해 다량 생성되는 탄화수소 계열을 묻고 있다. 원유는 주로 포화탄화수소와 나프텐·방향족을 포함하고 올레핀(알켄)은 자연 상태 원유에 거의 존재하지 않으나 열분해·개질 공정에서 많이 생성된다.
원유에는 포화 탄화수소(파라핀 등)가 많으나 올레핀(불포화)은 거의 없다.
가솔린의 옥탄가에 대한 설명으로 옳은 것은?
정답 ③ · 문항은 옥탄가와 탄화수소 구조의 관계를 묻고 있다. 분지(곁가지)가 많은 탄화수소는 연소 시 노킹 억제 능력이 커서 옥탄가가 높아지는 경향이 있으므로 곁가지가 많을수록 옥탄가가 높다는 설명이 옳다.
나프타와 같은 직쇄 알칸은 옥탄가가 낮고, 분지형 알칸은 옥탄가가 높아지므로 곁가지가 많을수록 높게 평가된다.
석유 유분에서 접촉분해와 비교한 열분해반응의 특징이 아닌 것은?
정답 ④ · 석유 유분의 열분해 반응은 고온에서 단순한 열에 의해 결합이 끊어지는 비교적 무작위적인 라디칼 반응이 주를 이룹니다. 이 과정에서 코크스나 타르가 많이 석출되고 디올레핀이 생성되기 쉬우며 분해와 방향족화가 동시에 진행되어 방향족이 증가합니다.
열분해는 무작위적 라디칼 반응으로 방향족이 증가하나, C3~C6 증가 특징은 접촉분해의 특징입니다.
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