개념 한 쪽
인산은 인광석을 원료로 건식법 또는 습식법으로 제조한다. 건식법은 고온 환원·연소·수화 과정을 통해 고순도 인산을 얻고, 습식법은 산을 사용하여 용출한 뒤 부산물로 석고가 발생한다. 묽은 질산을 농축할 때는 탈수성·비휘발성인 진한 황산을 사용한다.
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출제기준 단원 「인산」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 습식법 산제 선택 | 1 | 인광석 산분해에 적합하지 않은 산을 고르기 |
| 농축제 원리 응용 | 1 | 묽은 질산을 농축할 때 적당한 물질과 이유를 묻기 |
| 건식법 특성 판별 | 1 | 건식법의 장점과 원료 처리 가능성을 설명하거나 판별하기 |
인광석에서 인산을 얻는 방법은 크게 건식법(열법)과 습식법으로 구분한다. 건식법은 인광석과 환원제를 전기로에서 가열하여 인을 승화·연소시킨 뒤 수화하여 인산을 얻는 공정으로, 공정 중 불순물이 슬래그로 분리되므로 고순도 인산을 제조할 수 있다. 또한 원료 광석의 인 함량이 낮더라도 배합과 공정 조절을 통해 처리할 수 있어 원료 선택의 폭이 넓다.
습식법은 강산을 사용해 인광석을 분해하여 인산을 용출하는 방식이다. 산업적으로 널리 쓰이는 산분해제로는 황산이 주로 사용된다. 황산과 반응하면 칼슘 성분이 황산칼슘(석고)로 침전되어 부산물로 생기므로, 이 석고를 제거한 뒤 용액을 정제하여 인산을 얻는다.
습식 인산 제조에서 사용되는 산으로는 황산, 염산, 질산 등이 언급되나, 산업적 관점에서 주요한 산분해법은 황산법·염산법·질산법이 있다. 약산인 아세트산은 인광석을 효과적으로 대량 분해하여 인산을 제조하는 방식으로 일반적 분류에 포함되지 않는다.
묽은 질산을 농축할 때에는 물을 제거하는 '탈수제'의 개념을 적용한다. 진한 황산은 강한 탈수성과 비휘발성을 동시에 가지므로 묽은 질산에서 물을 흡수하여 질산의 상대 농도를 높이는 데 적합하다. 반면 염산은 휘발성이 있어 농축제로 부적합하며, 아세트산과 인산은 황산만큼의 탈수성·비휘발성을 제공하지 못한다.
문제 유형 예시는 두 가지로 정리된다. 첫째, 인광석을 분해하는 습식법의 산제로서 적합하지 않은 것을 고르는 문제에서는 약산인 아세트산을 제외하는 방식으로 접근한다. 둘째, 원료량 계산 문제에서는 화학양론을 적용하여 생성물과 반응물의 몰 비를 구한 뒤, 원료의 함유율로 보정하는 2단계 계산을 수행한다.
대표 계산 예: 인산(H3PO4, 분자량 98) 200kg을 제조하려면 먼저 몰 수를 계산하고 P2O5와의 화학양론 관계를 이용하여 필요한 순수 P2O5 질량을 구한다. P2O5 1몰은 H3PO4 2몰에 해당하므로, 200kg의 인산에 필요한 순수 P2O5 질량은 200×(142/196)≈144.9kg가 된다. 인광석 내 P2O5 함유율이 30%라면 실제 필요한 인광석량은 144.9kg ÷ 0.30 ≈ 483kg이 된다.
공정 특징 예: 건식법은 고온 환원·승화·연소·수화의 순서를 거쳐 불순물을 슬래그로 분리하여 고순도 인산을 얻는 반면, 황산법 등 습식법은 인광석과 황산 반응으로 인산을 용출하고 황산칼슘(석고)이 부산물로 생성되는 점을 확인한다.
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.
묽은 질산의 농축제로 다음 중 가장 적당한 것은?
정답 ② · 문항은 묽은 질산을 농축할 때 적절한 농축제를 묻고 있다. 진한 황산은 강한 탈수제이며 비휘발성이어서 혼합물에서 물을 효과적으로 제거해 질산의 상대적 농도를 높이는 데 적합하다.
진한 황산은 강한 탈수성을 가지므로, 물기를 포함하는 묽은 질산을 건조제 역할을 하는 진한 황산으로 농축할 수 있습니다.
건식법에 의한 인산제조공정에 대한 설명 중 옳은 것은?
정답 ① · 건식법(열법)에 의한 인산 제조는 인광석을 코크스와 규사와 함께 전기로에서 고온 환원하여 황 인을 승화시키고 이를 연소, 수화하여 극고순도의 인산을 제조하는 방법입니다. 이 방법은 습식법과 달리 황산을 소비하지 않으며 비료용보다 고부가가치의 청량음료 및 식품 첨가용으로 쓰입니다.
건식법은 고온 환원-연소-수화 공정을 통해 불순물을 제거하여 극고순도 인산을 제조하며, 저농도 광석도 활용 가능하다.
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