개념 한 쪽
가스는 불이 붙는 성질을 가졌는지에 따라 가연성과 불연성으로 나뉜다. 이산화탄소와 질소처럼 스스로 타지 않는 가스가 있는가 하면, 수소와 일산화탄소처럼 잘 타는 가스가 있다. 산소는 그 자체로 타는 가스가 아니라 다른 물질의 연소를 돕는 가스다.
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출제기준 단원 「불연성가스」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 가스 분류 판별 | 1 | 같은 질량 연소 시 질량당 발열량이 가장 큰 가스 가리기 |
| 분해폭발 물질 식별 | 1 | 산소 없이 스스로 폭발하는 물질 찾기 |
| 혼합기체 상수 계산 | 1 | 체적분율을 질량분율로 바꿔 가중평균으로 구하기 |
가연성 가스는 연소를 일으키는 가스이고, 불연성 가스는 연소를 일으키지 않는 가스다. 질소, 아르곤, 헬륨은 불연성 가스의 대표적인 예로 꼽힌다. 이산화탄소도 이미 완전히 연소된 상태여서 불을 끄는 소화제로 쓰일 만큼 불연성 가스에 속한다.
산소는 가연성 가스가 아니다. 산소는 다른 물질이 타는 데 필요한 공기 중의 성분으로, 연소를 지원하는 역할을 한다. 수소와 일산화탄소는 불이 잘 붙는 대표적인 가연성 가스이고, 산화에틸렌은 인화점이 낮아 매우 쉽게 타는 가연성 가스다.
연소는 기본적으로 산소와 가연성 물질이 반응하는 화학 현상이다. 이때 산소를 방해하거나 반응을 멈추게 하는 불연성 가스가 함께 있으면 연소가 억제된다. 폭발은 급격한 압력 변화에 따른 파열 또는 팽창 현상을 뜻한다.
분해폭발은 외부 산소와 반응하지 않아도 분자 자체가 불안정하여 스스로 쪼개지며 에너지를 방출하는 폭발이다. 아세틸렌은 탄소와 수소가 삼중결합으로 강하게 연결된 구조여서 에너지가 매우 높고, 이 결합이 끊어질 때 순식간에 에너지가 방출되어 분해폭발을 일으키는 대표 물질이 된다. 액체산소와 압축산소는 연소를 촉진하는 산화제 역할을 할 뿐 자체적으로 분해되어 폭발하는 물질은 아니다.
불연성가스 문제는 가스의 분류를 뒤바꾸는 방식으로 함정을 만든다. 이산화탄소를 가연성 가스 목록에 넣거나, 산소를 가연성 가스로 설명하거나, 액체산소나 압축산소를 분해폭발 물질로 내세우면 틀린 설명이다. 수소와 일산화탄소는 가연성으로, 질소와 아르곤과 헬륨은 불연성으로 각각 제자리에 두어야 한다.
발열량 비교 문제에서는 같은 질량을 태울 때 수소가 가장 높은 발열량을 낸다는 점을 기억한다. 수소는 분자량이 작아 1kg에 포함되는 몰 수가 많고 수소 함량이 높아, 메탄이나 프로판, 아세틸렌보다 단위 질량당 발열량이 크다.
혼합기체의 성질을 계산하는 문제도 나온다. 돌톤의 법칙에 따라 전압력은 각 성분의 몰분율에 순수 증기압을 곱한 분압을 모두 더해 구한다. 25℃ 진공 용기에 메탄올과 아세톤을 각각 일정량 넣었을 때, 메탄올 몰수는 96을 32로 나눈 3, 아세톤 몰수는 116을 58로 나눈 2가 되어 몰분율이 각각 0.6과 0.4가 된다. 분압은 96.5×0.6=57.9mmHg와 56×0.4=22.4mmHg이고, 전압력은 57.9+22.4=80.3mmHg가 된다.
다음 가스가 같은 조건에서 같은 질량이 연소할 때 발열량(kcal/kg)이 가장 높은 것은?
정답 ① · 같은 질량(1kg) 기준으로 연소했을 때 발열량이 가장 높은 가스를 찾는 문제입니다. 수소의 발열량은 약 34,000kcal/kg으로, 메탄(약 13,000kcal/kg), 프로판(약 12,000kcal/kg), 아세틸렌(약 12,000kcal/kg) 등 다른 가스에 비해 질량당 발열량이 월등히 높습니다.
질량당 발열량은 분자량이 작을수록 수소 함량이 높아져 일반적으로 증가하므로, 가장 가벼운 수소(H2)가 단위 질량당 발열량이 최대입니다.
분해폭발을 일으키는 물질은?
정답 ① · 문제는 분해폭발을 일으키는 물질을 묻고 있다. 분해폭발은 산소 공급 없이 분자 내부 에너지의 급격한 방출로 발생하는 현상으로, 대표적인 물질이 아세틸렌이다.
분해폭발은 산소 없이도 분자 내부 에너지로 폭발하는 현상이며, 아세틸렌이 대표적이다.
용기 내에서 혼합기체의 체적분율이 메탄(CH4) 35%, 수소(H2) 40%, 질소(N2) 25%이다. 이 혼합기체의 기체상수는 몇 kJ/kg·K인가?
정답 ④ · 혼합 기체의 기체상수(R)는 각 성분의 질량 분율과 기체상수의 곱의 합으로 구합니다. 각 분자량(CH4=16, H2=2, N2=28)을 이용하여 질량 분율을 구하고 각각의 물질 상수(범용기체상수 8.314 / 분자량)를 곱하여 더합니다.
혼합기체의 기체상수는 각 성분의 질량분율과 고유 기체상수의 곱을 합산하여 구한다.
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