개념 한 쪽
황산은 공업적으로 SO2를 산화하여 SO3를 만들고 이를 흡수·희석하여 제조하는 대표적인 산화성 공업화학 제품이다. 접촉식 공정에서 촉매 선택, SO3의 취급 방법, 원료의 종류와 계산 문제가 핵심 출제 요소다.
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출제기준 단원 「황산」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 촉매 민감성 판단 | 1 | 촉매별 불순물 영향과 촉매독 여부 가리기 |
| 원료 연소량 계산 | 1 | 광석의 불순물 보정 후 이론 공기량 계산하기 |
| 원료 적합성 배제 | 1 | 황산 제조 원료와 비원료를 구분하기 |
접촉식 황산제조는 이산화황(SO2)을 삼산화황(SO3)으로 촉매 산화한 뒤 SO3를 황산으로 전환하는 공정으로 정의한다. SO3를 직접 물에 흡수하면 미세한 황산 안개(mist)가 발생하여 포집과 취급이 어렵기 때문에, SO3는 우선 농황산에 흡수시켜 발연황산(oleum)을 만든 뒤 적절히 희석하여 최종 황산을 얻는 공정 흐름을 따른다.
촉매는 접촉식 공정의 핵심 요소로, 과거에는 백금 촉매가 사용되었으나 현재는 주로 바나듐(V2O5)계 촉매가 널리 이용된다는 점을 기억한다. 백금 촉매는 활성이 매우 높지만 비소(As), 셀레늄(Se) 같은 불순물에 매우 민감하여 표면 흡착에 의해 활성 부위가 막히는 촉매독이 발생하면 영구적 활성 저하가 일어난다. 반면 바나듐 촉매는 불순물에 대해 비교적 내구성이 높아 실제 공정에서 선호되는 경우가 많다.
황산의 원료는 SO2를 공급할 수 있는 물질이어야 한다. 대표적인 원료는 순수한 황(S), 황화철광(FeS2) 같은 황화물 광석, 그리고 아연‧구리 제련 폐가스 등으로, 태울 때 SO2를 발생시켜 원료로 사용한다. 황 성분이 없는 산화철 광석(예: Fe3O4)은 SO2를 발생시키지 못하므로 황산 제조의 원료가 될 수 없다.
황산의 조성 표기는 mSO3·nH2O 형태로 나타낼 수 있는데, 발연황산은 자유 SO3가 과량으로 포함된 상태이므로 m>n인 표기가 해당된다. 순수 황산은 m=n으로 표시되며, m<n이면 희석황산의 성격을 가진다고 볼 수 있다.
공정 운전 측면에서는 전화기(converter) 내부의 온도 제어가 중요하다. SO2의 산화 반응은 발열 반응이므로 온도가 지나치게 상승하면 평형 상수와 촉매 활성 모두 불리하게 작용하여 전환율이 떨어진다. 따라서 반응열 제거와 온도 관리가 전환율 유지의 핵심이라는 점을 숙지한다.
대표 계산 1 — 황화철광 연소에 필요한 이론 공기량 1) 황화철광 1톤(1000kg)에 불순물 10%가 있으면 순수 FeS2 질량은 900kg이다. FeS2의 분자량은 Fe(56) + S(32)×2 = 120 g/mol이므로 몰수는 900,000g ÷ 120g/mol = 7,500 mol이다. 2) 반응식 4FeS2 + 11O2 → 2Fe2O3 + 8SO2에서 FeS2 4몰당 O2 11몰이 필요하므로 필요한 O2 몰수는 7,500 × (11/4) = 20,625 mol이다. 3) 공기 중 산소 분율을 21%로 보아 필요한 공기 몰수는 20,625 ÷ 0.21 ≈ 98,214 mol이다. 표준상태 기체 1몰 부피를 22.4 L(0.0224 m³)로 환산하면 공기 부피는 98,214 × 0.0224 ≈ 2,200 m³가 된다. 요약: 불순물 보정 → 몰수 계산 → 계수비 적용 → 공기 환산 순서로 계산한다.
대표 계산 2 — 36 wt% HNO3 20 kg로 발생하는 NO 질량 1) 20 kg의 36% 용액에는 순수 HNO3가 20 × 0.36 = 7.2 kg 존재한다. 2) HNO3의 분자량을 약 63 g/mol로 보면 몰수는 7,200 g ÷ 63 g/mol ≈ 114.3 mol이다. 3) 문제 가정에 따라 HNO3 1몰에서 NO 1몰이 발생하면 NO 몰수는 114.3 mol이고 NO의 분자량은 약 30 g/mol이므로 질량은 114.3 × 30 g ≈ 3,429 g, 즉 약 3.4 kg가 된다. 요약: 용액 중 순수 물질 질량 → 몰수 환산 → 생성물 질량 환산 순서로 계산한다.
접촉식 황산제조 시 원료가스를 충분히 정제하는 이유로 As, Se 같은 불순물이 있을 경우 바나듐 촉매보다는 백금 촉매에 더욱 두드러지게 나타나는 현상은?
정답 ② · 문항은 접촉식 황산제조에서 원료가스의 불순물이 촉매에 미치는 현상 중 백금 촉매에서 두드러지는 것을 묻는다. 백금 촉매는 불순물에 민감하여 As, Se 등의 원소에 의해 활성 저하가 일어나면 회복이 어렵고 영구적 기능 상실로 이어지는 촉매독(catalyst poisoning)이 특히 심하게 나타난다.
백금 촉매는 비백금 촉매(바나듐 등)에 비해 불순물에 훨씬 민감하여 활성이 영구적으로 저하되는 촉매독 현상이 두드러진다.
황산의 원료인 아황산가스를 황화철광(iron pyrite)을 공기로 완전 연소하여 얻고자 한다. 황화철광의 10%가 불순물 이라 할 때 황화철광 1톤을 완전연소 하는데 필요한 이론 공기량은 표준상태 기준으로 약 몇 m³인가? (단, Fe의 원자량은 56 이다.)
정답 ③ · 황화철광(FeS2)의 연소 반응에 필요한 이론 공기량을 계산하는 양론 문제입니다. 반응식은 4FeS2 + 11O2 -> 2Fe2O3 + 8SO2 입니다.
불순물 제외 순수 FeS2 양을 구해 반응식 계수비로 O2 몰수를 계산한 후 공기 부피로 환산하면 약 2200m³가 된다.
황산제조에 사용되는 원료가 아닌 것은?
정답 ③ · 황산 제조 공정(접촉법 등)에 사용되는 원료를 찾는 문제입니다. 황산의 핵심 원료는 이산화황(SO2) 가스이며, 이 가스를 얻기 위해 주로 황화철광(FeS2)을 배소하거나 순수한 유황(S)을 연소합니다.
황산제조 원료는 SO2 공급원인 황, 황철광, 제련폐가스이며 염안은 비료 원료다.
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