개념 한 쪽
수용액에서의 산과 염기는 서로 다른 정의 체계로 설명되며, 이들의 상호작용은 중화와 pH 변화를 초래한다. 수처리에서는 염소 소독의 형태와 소독부산물 형성에 pH가 중요한 역할을 하므로 산염기 특성과 pH 영향을 이해해야 한다.
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출제기준 단원 「중화반응」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 산염기 정의 판별 | 1 | 아레니우스·브뢴스테드·루이스 이론의 차이를 가려내기 |
| 완전혼합 탱크 감쇠 계산 | 1 | 유입유량과 부피로 농도 감소 시간 계산하기 |
| 염소 소독 형태 비교 | 1 | HOCl과 OCl⁻의 살균력 차이 구별하기 |
산과 염기의 정의는 역사적으로 발전했으며 대표적으로 아레니우스, 브뢴스테드-로우리, 루이스 이론으로 설명된다. 아레니우스 정의에서는 산이 수용액에서 수소 이온(H⁺)을 내놓고, 염기는 하이드록실 이온(OH⁻)을 내놓는 물질로 규정된다. 브뢴스테드-로우리 이론은 양성자(H⁺)의 주고받음을 기준으로 하며, 양성자를 주는 것이 산이고 받는 것이 염기이다. 루이스 이론은 전자쌍의 주고받음을 기준으로 하며 전자쌍을 받는 것을 산으로 정의한다.
산과 염기는 물리적·화학적 성질로도 구분된다. 산은 신맛을 내고 적색 리트머스 시험지를 붉게 유지하는 특성을 보이며 활성 금속과 반응하여 수소 발생을 일으키는 성질을 가진다. 염기는 손에 닿았을 때 미끈거림을 주고 붉은 리트머스 종이를 푸르게 변색시키며 산을 중화시키는 작용을 보인다. 이들 기본 성질을 대조하여 오답을 소거하는 방식으로 문제를 해결할 수 있다.
수처리 맥락에서는 pH가 반응 형태와 생성물에 큰 영향을 준다. 염소 소독 시 물속에서 존재하는 염소 형태는 pH에 따라 분포가 달라지고, 비이온성 형태인 유산염소(HOCl)는 세포막 투과성이 높아 살균력이 크다. 반대로 차염소이온(OCl⁻)은 살균력이 상대적으로 약하다. 또한 THM(트리할로메탄)과 같은 소독부산물은 고온·고pH 조건에서 생성이 촉진되는 경향을 보이며, 페놀류가 존재하면 염소와 반응하여 클로로페놀 같은 악취 물질이 형성될 수 있다.
수계의 pH 변화는 생물학적 작용에도 영향을 준다. 비료나 유기물 유입으로 조류가 증식하면 광합성으로 수중 CO2를 흡수하여 pH가 상승하는 경향이 나타난다. 이처럼 산·염기 반응과 생물학적 과정, 소독 반응이 서로 얽혀 수질에 영향을 미치므로 pH 관리와 반응 메커니즘 이해가 중요하다.
염소 소독의 효율과 부산물 생성 관점을 보면 pH 조절의 중요성을 확인할 수 있다. pH가 낮을수록 HOCl 비율이 높아져 살균력이 커지는 반면, pH가 높을수록 OCl⁻ 비율이 증가하고 THM 생성이 촉진되는 경향이 있다. 또한 수중에 페놀류가 존재하면 염소와 반응하여 클로로페놀을 생성하여 소량으로도 강한 악취를 유발하므로 원수 성상에 맞춘 pH와 소독 전략을 선택해야 한다.
수온이 20℃인 어느 강에 대기중에서 0.08mgO2/L/hr의 용존산소가 공급되어 강의 상시 용존산소 농도가 7mg/L로 유지된다면 이 강의 산소전달계수(hr-1)는 ? (단, α β 값은 1.0, 포화용존산소 농도 9.0 mg/L이다.)
정답 ③ · 대기로부터 수중으로 공급되는 산소의 전달 속도(dC/dt)는 산소전달계수(k)와 포화농도(Cs) 및 현재 농도(C)의 차이에 비례합니다. 계산 공식은 dC/dt = k(Cs - C) 입니다.
산소전달계수 k는 공급속도(dC/dt)를 포화농도(Cs)와 현재농도(C)의 차이로 나눈 값이다.
1000m³인 탱크에 염소이온 농도가 100mg/L이다. 탱크내에 물은 완전혼합이고, 계속적으로 염소이온이 없는 물이 480m³/day로 유입된다면 탱크내 염소이온농도가 1.0mg/L로 낮아질 때까지의 소요시간(hr)은 ? (단, Ci/Co=e-kt )
정답 ③ · 완전혼합 반응조에서 물의 체류시간(t)에 따른 농도 변화를 나타내는 공식 Ci/Co = e^(-kt)를 이용합니다. 유량 Q=480m3/day, 체적 V=1000m3이므로 교환율 k는 Q/V = 480/1000 = 0.48/day 입니다.
완전혼합 탱크의 농도 감소는 지수함수 법칙을 따릅니다.
염소 소독시 발생될 수 있는 다음의 물질 중 살균력이 가장 큰 것은?
정답 ③ · 문항은 염소 소독 시 생성되는 화학종 중 살균력이 가장 큰 것을 묻고 있다. 차아염소산(HOCl)은 비이온성 분자로 세포막 투과성이 높아 다른 형태보다 살균력이 가장 강하다.
염소 소독 시 HOCl가 가장 강력한 살균력을 가집니다.
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