개념 한 쪽
수질 관련 계산에서는 농도 단위와 당량 개념을 정확히 구분하는 것이 핵심이다. 노르말 농도(N)와 몰농도(M), 몰랄 농도 등 정의를 알고 당량(gram-equivalent)을 이용해 질량을 산출하는 절차를 익혀야 한다. 산소요구량과 중화 계산에서는 반응식과 당량을 이용한 단계적 접근으로 실수를 방지한다.
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출제기준 단원 「화학적 단위」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 질산화 산소요구량 산출 | 1 | 암모니아성 질소 농도에 이론적 O2량을 곱해 계산하기 |
| 노르말 농도 질량계산 | 1 | N농도와 당량을 이용해 필요한 용질 질량을 구하기 |
| 농도 용어 정의 판별 | 1 | 여러 농도 정의 중 몰랄·노르말 등 용어를 구분하기 |
노르말 농도(N)는 용액 1L에 포함된 용질의 당량수(equivalents)를 나타낸다. 당량은 분자량을 반응에서 작용하는 가수(또는 전자 이동수)로 나눈 값으로 정의한다. 따라서 N농도로부터 필요한 용질의 질량을 구할 때는 '질량 = N × 부피(L) × (분자량 / 가수)' 공식을 적용해야 한다.
몰농도(M)은 용액 1L에 포함된 용질의 몰수이다. N과 M은 가수(또는 당량 기준)에 의해 관계가 있으므로, 2가 이온처럼 작용기가 2인 경우 N을 M으로 변환할 때는 가수로 나누어야 한다. 농도 계산에서 부피 단위는 반드시 L로 변환해야 한다는 점을 주의한다.
g당량(그램당량)은 특정 반응에서 1당량에 해당하는 물질의 질량을 의미한다. 이는 분자량을 반응 시 변하는 산화수 변화량이나 가수로 나눈 값으로 구한다. 중화나 산화·환원 계산에서는 g당량 개념을 이용해 서로 다른 물질의 필요한 질량을 비교한다.
수질공정 관련 산소 요구량 계산에서는 표준 계수를 이용한다. 예컨대 암모니아성 질소(NH3-N)를 질산화할 때 필요한 이론적 산소량은 암모니아성 질소 1g당 약 4.57g의 O2가 소모된다는 상수를 곱해 산출한다. 이와 같이 반응식에서 유도된 계수를 외워 적용하면 설계·계산이 간단해진다.
예 1 — 당량 농도에서 질량 계산: Ca(OH)2 0.2N 100mL을 조제하려면 필요한 Ca(OH)2(g)을 계산한다. Ca(OH)2의 분자량은 74이고 가수는 2이므로 당량은 74/2=37이다. 질량 = N × V(L) × 당량 = 0.2 × 0.1 × 37 = 0.74g이 된다.
예 2 — 암모니아성 질소의 이론적 산소요구량: 암모니아성 질소 농도 100mg/L를 완전히 질산화시키는 데 필요한 O2량을 구한다. 암모니아성 질소 1g당 O2 요구량은 4.57g이므로 필요한 O2 = 100mg/L × 4.57 = 457mg/L가 된다.
어느 폐수의 암모니아성 질소농도가 100mg/L일 때, 이를 완전히 산화(질산화)시키는데 필요한 이론적 산소요구량 (mg/L)은?
정답 ③ · 암모니아성 질소(NH3-N)가 호기성 조건에서 완전히 질산화(NH4⁺ → NO2⁻ → NO3⁻)되는 과정은 질산화 세균에 의해 진행됩니다. 암모니아성 질소 1g당 소모되는 이론적 산소요구량(ThOD)은 화학반응식 계산에 의해 약 4.57mg O2/mg NH3-N입니다.
암모니아성 질소 1g 산화에 필요한 산소는 약 4.57g이므로, 농도에 이 계수를 곱하여 계산한다.
'g당량' 용어 설명이 맞는 것은?
정답 ② · 문제는 g당량의 정의가 무엇인지 묻고 있다. g당량은 어떤 화학종의 분자량을 그 반응에서 변화하는 전자수나 결합수 등 반응량(산화수 변화량 등)으로 나눈 값으로, 반응능력을 나타내는 단위이다.
g당량은 분자량을 해당 반응에서 전자 이동 수나 가수 결합 수 등 산화수 변화량으로 나눈 값이다.
용액의 농도에 관한 설명 중 틀린 사항은?
정답 ② · 농도를 나타내는 표현 중 몰랄(molal) 농도는 '용매 1000g 중에 녹아 있는 용질의 몰 수'를 의미합니다. 보기 2번에서 몰랄 농도를 규정농도(Normality)라고 설명한 것은 명백한 오류입니다.
몰랄 농도는 용매 1000g 중 용질 몰수이며 규정농도(노르말 농도)가 아니므로 2번이 틀린 설명이다.
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