개념 한 쪽
질산(HNO3)은 강산이자 강한 산화제로 산업적으로는 암모니아의 산화 반응을 통해 주로 생산한다는 점을 기억한다. 생산 공정에서 핵심은 암모니아의 선택적 산화에 쓰이는 촉매와 반응 조건이며, 질산의 용도는 폭약 및 니트로화 반응 등이 중심이라는 점을 구분한다.
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출제기준 단원 「질산」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 암모니아 산화 공정 조건 판단 | 1 | 온도와 촉매 조건으로 NO→NO2 평형 및 공정 적합성 판단 |
| 질산의 성질과 용도 판별 | 1 | 질산의 주요 용도와 다른 물질의 용도 구분하기 |
| 습식법 인산 제조 산제 구분 | 1 | 인광석 습식 분해에 사용되는 산의 포함 여부 가리기 |
질산은 강력한 산화성과 강산성을 동시에 보이는 무기산이다. 금속 표면에서 부동태를 형성하는 성질을 나타내어 일부 금속의 부식을 억제하는 측면이 있지만, 산업적 주요 용도는 주로 니트로화와 폭약 제조 등 유기질소 화합물 합성에 집중된다.
산업적 질산 제조는 암모니아의 촉매 산화를 기본 단계로 한다. 암모니아는 Pt-Rh 합금 촉매 그물망을 통해 먼저 일산화질소(NO)로 산화되고, 이후 NO를 이산화질소(NO2)로 산화한 뒤 흡수하여 질산을 얻는다. 촉매 조성이나 반응 온도 등 공정 조건이 생산성에 큰 영향을 미친다.
화학 평형의 관점에서 NO → NO2 산화 반응은 발열반응이므로 온도가 낮을수록 평형이 생성물 측으로 이동한다는 원리를 적용한다. 따라서 온도가 지나치게 높으면 평형 상수가 감소하여 NO2 생성이 억제될 수 있으므로 공정 설계 시 온도와 반응 속도의 상충 관계를 고려해야 한다.
질산의 농축에는 물을 제거하는 목적의 탈수제가 효과적이다. 진한 황산은 강한 탈수성과 비휘발성 특성으로 묽은 질산에서 물을 제거하여 질산 농도를 높이는 데 적합하다. 반면 염산은 휘발성이 높아 농축제로 부적합하며 아세트산 같은 약산도 효율이 낮다.
암모니아 산화 공정에서는 혼합가스의 조성에 따라 산화율과 안전성이 달라진다. 예를 들어 암모니아 농도가 특정 범위(약 9% 내외)에 있을 때 폭발 위험을 피하면서 산화율을 높일 수 있는 산소:암모니아 비율이 존재한다는 점을 공정 운전의 핵심 파라미터로 인식해야 한다.
질산 제조 관련 문제에서는 다음과 같은 논리 흐름으로 접근한다. (1) 암모니아 산화 단계에서 사용되는 촉매는 Pt-Rh 합금 그물망임을 확인한다. (2) NO → NO2 산화가 발열반응이라는 점을 떠올려 온도 변화가 평형에 미치는 영향을 판단한다. (3) 묽은 질산을 농축하는 경우 탈수성·비휘발성인 진한 황산을 농축제로 선택하는 이유를 연결한다. 이러한 원리적 연결을 통해 보기를 하나씩 소거하면 정답을 찾기 쉽다.
대표 계산 문제 유형은 용액의 질량과 농도로부터 순수 물질의 질량을 구한 뒤, 원소 보존 법칙과 분자량 비로 생성물 질량을 계산하는 순서가 핵심이다. 예를 들어 25kg의 35wt% HNO3에서 생성 가능한 NO 질량을 구할 때는 먼저 25kg×0.35로 순수 HNO3 질량을 구한 뒤 분자량 비(N:14, NO:30)를 적용하여 생성 질량을 계산한다.
촉매 관련 선택지 판별 문제는 Pt-Rh 촉매의 물리적 형상(가는 선으로 된 망사)과 로듐 첨가가 내열성과 전화율을 높인다는 사실을 기준으로 판단한다. 촉매 선의 직경이 지나치게 굵으면 표면적이 부족하여 오답이 될 가능성이 높다.
암모니아 산화에 질산제소 공정에 있어서 조건이 옳지 않은 것은?
정답 ③ · 문제는 암모니아 산화 공정에서 각 조건의 옳고 그름을 판단하는 것이다. 암모니아를 산화하여 생성된 NO를 NO2로 전환하는 반응은 발열반응이므로 르샤틀리에 원리에 따라 낮은 온도에서 평형이 NO2 쪽으로 유리하다; 따라서 매우 높은 고온에서 NO를 산화한다는 설명은 부적절하다.
NO 산화는 발열반응이므로 고온보다 저온에서 평형상 우세해져 NO2 생성이 촉진된다.
질산의 성질과 용도에 대한 설명 중 틀린 것은?
정답 ② · 진한 질산(98wt% 이상)은 주로 니트로셀룰로오스, TNT, PIC와 같은 폭약 제조 원료나, 니트로화 반응 등 유기 합성의 니트로화제로 광범위하게 이용됩니다. 질소함유 비료 제조 원료는 주로 암모니아이며, 인광석 분해에는 황산이 쓰입니다.
진한 질산의 주용도는 폭약 제조 및 니트로화제이며, 비료 원료는 암모니아, 인광석 분해는 황산이 담당한다.
인광석을 산분해하여 인산을 제조하는 방식 중 습식법에 해당하지 않는 것은?
정답 ④ · 문제는 인광석을 산분해하여 인산을 만들 때 사용되는 습식법 종류를 묻고 있다. 산업적으로 사용되는 습식 분해 산은 강산인 황산·염산·질산 계열이며 아세트산과 같은 약산은 분해 효율과 상업성에서 통상 사용되지 않는다.
인광석의 습식 인산 제조법에는 황산, 염산, 질산 분해법이 있으나 아세트산 분해법은 해당되지 않습니다.
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