개념 한 쪽
탄산나트륨과 수산화나트륨은 산업적으로 중요한 무기염류이며 고전적 제조법과 전기분해법이 주요 생산 경로로 쓰인다는 점을 이해해야 한다.
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출제기준 단원 「탄산나트륨(소다회), 수산화나트륨(가성소다)」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 합성염산 공정 안전 판단 | 1 | 수소 과잉 공급의 목적을 안전과 부식 측면에서 설명하기 |
| 공정 조건의 화학적 영향 | 1 | 암모니아 산화 공정에서 온도가 평형에 미치는 영향 가리기 |
| 전기분해 전극별 생성물 판별 | 1 | 포화식염수 전기분해 시 음극에서 발생하는 기체를 구별하기 |
르블랑법은 역사적 소다회 제조 공정으로 식염(NaCl)을 출발물질로 하여 황산나트륨을 만들고 석회석과 석탄과 함께 가열하여 탄산나트륨을 얻는 공정이라고 설명한다. 이 공정의 핵심 원료로 식염과 석회석이 사용된다는 점을 기억해야 한다.
수산화나트륨은 포화식염수의 전기분해로 제조할 수 있으며 전기분해 시 양극과 음극에서 서로 다른 생성물이 발생한다고 설명한다. 양극에서는 염소가스가 발생하고 음극에서는 물의 환원으로 수소기체와 수산화이온이 생성되어 나트륨 이온과 결합해 수산화나트륨을 만든다는 점을 이해해야 한다.
화학양론 계산은 분자량비를 이용해 질량을 환산하는 방법을 말한다. 예컨대 NaCl과 NaOH의 몰비가 1:1이면 NaCl의 질량과 NaOH의 질량은 분자량비로 연결되므로 이를 이용해 필요한 원료량을 계산할 수 있다.
공정상 안전과 운전 조건도 중요하다는 점을 강조한다. 예를 들어 합성염산 제조에서 수소를 과잉 공급하는 이유는 미반응 염소를 제거하여 부식을 방지하고 혼합가스의 폭발 한계에서 벗어나기 위해서라는 점을 숙지해야 한다.
NaCl 1몰(58.5g)로 NaOH 1몰(40g)을 만들 수 있다는 화학양론 관계를 이용하여 NaOH 1kg을 제조할 때 필요한 NaCl 질량을 구하는 계산 예를 제시한다. 비례식을 세우면 필요한 NaCl 질량은 (58.5/40)×1000g = 1462.5g ≈ 1.463kg이므로 대략 1.46kg의 NaCl이 필요하다고 계산한다.
전기분해에서 전극별 생성물은 음극에서의 환원 반응 2H2O + 2e- → H2 + 2OH-으로 인해 수소가 발생하고 수산화이온이 생성되어 수산화나트륨 형성에 기여한다는 점을 예로 든다.
합성염산 제조에 있어 식염용액의 전해로 생성되는 염소와 수소를 서로 반응 합성할 때 수소를 과잉 넣어 반응시키는 이유는?
정답 ④ · 합성염소 제조 과정에서 염소와 수소가 반응할 때, 수소를 약간 과잉으로 넣어주는 이유는 미반응 염소가 잔존하는 것을 막기 위함입니다. 염소가 남아있게 되면 물에 녑어 염산의 부식성을 높이고 반응기 등 장치를 부식시킬 수 있습니다.
수소 과잉 공급은 미반응 염소 제거 및 폭발 한계 밖 유지를 위해 필수적이다.
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.
포화식염수에 직류를 통과시켜 수산화나트륨을 제조할 때 환원이 알어나는 음극에서 생성되는 기체는?
정답 ④ · 문제는 포화식염수 전기분해에서 음극(환원극)에서 발생하는 기체를 묻고 있다. 음극에서는 물이 환원되어 수소 기체와 수산화이온이 생성되는 반응이 일어나므로 생성 기체는 수소이다.
포화식염수 전기분해 시 음극에서는 물이 환원되어 수산화이온과 수소가 생성된다.
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