[화1] 양적관계를 위한 조언(6)
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안녕하세요 수능 화학 강사 김동준입니다
오늘은 여섯 번째로 반응의 진행에 따른
반응물과 생성물의 변화를 살펴보려고 합니다
일반적으로 화1에서 화학 반응식의 반응 유형은
일괄반응과 연속반응 두 가지 유형으로 나뉘게 됩니다
aA(g) + bB(g) → cC(g) 라는 반응을 가정하면,
일괄반응(Batch)은 반응물 A, B가 처음부터 같이 존재해서
둘 중 하나가 없어질 때까지 일괄적으로 일어나는 반응이고
(물론 둘 다 없어지는 경우도 있겠죠)
연속반응(Flow)은 반응물 2가지 중 1가지가 일정량 존재하는데
다른 1가지가 연속적으로 들어가면서 일어나는 반응입니다
일괄반응의 경우 반응물 A,B가 처음부터 같이 존재하므로
전체 몰수 변화는 A, B의 감소와 C의 생성에 의해 결정되는데
이때 반응물 A와 B는 계수인 a와 b의 비율로 감소하고
생성물 C 역시 계수인 c의 비율로 증가하게 됩니다
따라서 계수를 통해 전체 몰수 변화를 유추해보면
a+b < c 일 때, 반응의 진행에 따라 전체 몰수가 증가
a+b = c 일 때, 반응의 진행에 따라 전체 몰수가 일정
a+b > c 일 때, 반응의 진행에 따라 전체 몰수가 감소하고
반응이 끝나면 그 상태가 유지된다는 것을 알 수 있습니다
연속반응에서 반응물 A에 B가 들어가는 경우라면
처음에는 A만 존재하고 B가 들어간다고 해도 완결 전까지는
한계반응물이 B이므로 B는 들어가자마자 사라지게 됩니다
있었는데요 없었습니다
(B가 들어가도 A와 함께 없어지면서 C를 만들기 때문에
B는 완결 전까지 전체 몰수 ‘변화’에 영향을 미치지 못합니다)
완결까지 같은 방식으로 반응이 진행되다가 완결에서는
A가 모두 소모되고 생성물 C만 존재합니다
완결 이후에는 C가 생기지 않으므로 C는 일정하게 유지되고
전체 몰수 변화는 들어가는 B에 의해서만 증가하게 됩니다
결론적으로 전체 몰수 ‘변화’는 반응 완결을 기준으로
완결 전의 경우 A의 감소와 C의 증가,
완결 후는 B의 증가에 의해 결정되는 것을 알 수 있습니다
여기서도 마찬가지로 A, B, C는 계수에 의해 변화하므로
a < c 일 때, 완결 전까지 전체 몰수가 증가
a = c 일 때, 완결 전까지 전체 몰수가 일정
a > c 일 때, 완결 전까지 전체 몰수가 감소하고
완결 후는 b만큼 증가하는 결과를 얻을 수 있습니다
위에서 살펴본 반응 유형이 한가지만 출제되는 경우는
표나 그래프 등을 이용하여 반응을 파악하면 되는데
이 부분은 다음 글에 이어서 다룰 예정이고
오늘은 두 가지가 같이 나오는 케이스에서
상황에 맞게 일괄반응과 연속반응을 변환하여
생각하는 것을 연습해보려고 합니다
(위에서 반응 유형을 나누기는 했지만 반응식이 같기 때문에
반응하는 과정이 조금 다를 뿐 기본적으로는 같은 반응이고
따라서 필요에 따라 바꿔서 생각할 수 있습니다)
19학년도 10월 학평 화1 20번 문항입니다
(가), (나)에서는 질량이 같고 (다)에서는 2wg만큼 증가,
각 과정 후 기체의 부피는 (가)와 (다)에서 같으므로
밀도의 정의를 통해 (가), (나), (다)의 부피는 각각 6L, 5L, 6L이고
질량은 4w, 4w, 6w가 됨을 알 수 있습니다
전체적인 그림만 보면 (가)에서 (나)로 넘어가는 과정은
일괄반응이고 (나)에서 (다)로 넘어가는 과정은 연속반응으로
생각할 수 있는데 (나)에서 (다)로 넘어가는 과정도
일괄반응으로 바꿔서 생각해볼 수 있겠습니다
(나)에서 (다)로 넘어가면서 A가 2wg(=2L) 추가되는데
(나) 5L에 A 2L가 일정하게 추가되면서 연속적으로 일어나는 반응과
(나) 5L에 A 2L를 다 넣고 한꺼번에 일괄적으로 일어나는 반응이
어차피 같은 반응이고 반응 후의 모습도 같습니다
(가)→(나)는 그대로 6L에서 5L가 되는 반응으로 보고
(나)→(다)를 일괄반응으로 바꿔보면 7L에서 6L가 되는 반응이므로
둘의 반응 양은 똑같고 반응 양이 같으면 없어지는 반응물의 양과
생성되는 생성물의 양이 같으므로 (나)→(다)에서 A가 2L 들어간 후
한계반응물로 모두 반응했으므로 (가)에서도 A가 2L 있었고
(가)→(나)에서 A 2L가 모두 반응했다는 것을 알 수 있겠습니다
(가) 6L 중 A가 2L(=2wg)이므로 B는 4L(=2wg) 존재했다는 것도
유추할 수 있고 위 내용을 반응식으로 써보면 다음과 같겠습니다
(가)→(나) | aA + B |
반응전 | 2L 4L |
반 응 | -2L -x +2x |
반응후 | 0 4-x 2x |
2C반응 후 (나)의 부피가 5L 이므로 (4-x) + 2x = 5, x=1이고
따라서 a=2이고 이를 두 번째 반응식에 적용시켜 보면
다음과 같은 모습을 얻을 수 있습니다
(나)→(다) | 2A + B |
반응전 | +2L 3L 2L |
반 응 | -2L -1L +2L |
반응후 | 0 2L 4L |
2C두 번째로 21학년도 수능 화1 20번 문항입니다
이 문제도 위와 마찬가지로 (가)→(나)에서는 질량이 같고
(나)→(다)에서는 B가 2wg 추가되는 형태를 가지고 있는데
먼저 밀도비를 통해 부피비(=몰수비)를 구해보면
인데 질량이 같으므로 
이고
이므로 
,
따라서 (가), (나), (다)의 부피는 각각 상댓값으로
5L, 7L, 15L라고 생각해볼 수 있습니다
(다)에서 남은 반응물이 없고 생성물 C, D만 존재하므로
처음 들어있던 B wg이 반응 후 추가로 들어간 2wg도
모두 반응하였고 반응한 B의 양이 1:2라는 것을 파악하면
한계 반응물이 반응하는 양을 결정하기 때문에
전체 반응도 B에 맞춰서 각각 
, 
만큼씩 진행된 것을
유추해볼 수 있습니다
적용해보면 (가)→(나)에서 A 9wg 중 
인 3wg이
B wg과 반응하여 C, D 5L를 생성하고
(나)→(다)에서 남은 A 6wg이 추가된 B 2wg과 반응하여
남은 
만큼의 C, D 10L를 생성하여
최종적으로 (다) 15L가 생기는 과정을 생각해볼 수 있겠습니다
위의 문제와는 반대로 여기서는 (가)→(나) 반응을
일괄반응에서 연속반응으로 바꾸어 생각해보면
A 9wg에 B를 연속적으로 반응시키는 것으로 볼 수 있고
B 2wg을 넣었을 때 8L가 증가했으므로 (7L→15L)
A 9wg에 B wg을 넣으면 4L가 증가함을 알 수 있습니다
따라서 4L가 증가하여 7L가 됐으므로 A 9wg=3L이고
A 9wg+B wg = 5L 이므로 B wg=2L라는 것도 파악할 수 있습니다
이제 위에서 파악한 부피관계와
(가)→(나)에서 
만큼 반응한다는 것을
이용하여 반응식을 써보면 다음과 같고
(가)→(나) | A + xB |
반응전 | 3L 2L |
반 응 | -1L –2L +1L +4L |
반응후 | 2L 0 1L 4L |
C 
yDx=2, y=4를 얻을 수 있습니다
(나)→(다)에서의 반응식은 다음과 같고
(나)→(다) | A + 2B |
반응전 | 2L +4L 1L 4L |
반 응 | -2L –4L +2L +8L |
반응후 | 0 0 3L 12L |
C 
4D(다)에서 C, D의 질량비는 4:5이므로
전체 질량 12wg을 4:5로 나누어 가지면
D는 
g=12L가 되고 A는 9wg=3L이므로
임을 알 수 있겠습니다
이 문제의 풀이가 이것만 있는건 아니지만
이런 식으로 반응의 유형을 바꿔보는 관점도 가지고 있으면
효율적인 문제풀이에 도움이 될 수 있겠습니다
다음 글은 연속반응에서의 몰수변화와 그래프와의
관계를 살펴보려고 합니다
오늘도 긴 글 읽어주셔서 감사합니다!
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후후
화학을 선택하게 된 계기가 양적관계떄문이었는데 감사합니다!!
양적관계가 재밌죠 ㅎㅎ 댓글 고마워요 ^^