【환경화학】 2017 국가공무원 5급(기술) 제1문

2017 국가공무원 5급(기술) 제1문^]

 

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a. 산·염기 반응

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풀이나라 님 지적사항 수정 (23.05.03)

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Q. 어느 정수장으로 들어가는 관망 내 물의 pH가 5.8이고, 알칼리도(alkalinity)가 0.2 meq／L로 측정되었다. 관망 내 물은 25 ℃이며 외부에 대해 닫혀 있다. 정수장에서는 pH가 약산성이고 알칼리도가 낮아 물의 pH 및 알칼리도를 높이기 위해 화합물을 첨가하고 있다. 탄산의 화학평형식이 아래와 같을 때, 다음 물음에 답하시오.

 

H₂CO₃ → HCO₃^- + H⁺, K₁ = 10^-6.35

HCO₃^- → CO₃^2- + H⁺, K₂ = 10^-10.33

 

Q1. 알칼리도가 무엇인지를 간략히 설명하고, 탄산이 용해된 물에서 알칼리도를 구하는 식을 제시하시오.

A1. 

알칼리도는 수소이온(H⁺)을 중화시킬 수 있는 이온량으로 정의한다.

예를 들면, 염기도는 2 × [CO₃^2-] + [HCO₃^-] + [OH^-] - [H⁺]이라고 볼 수 있다. (총총, 풀이나라 님 질문 반영)

알칼리도가 0.2 meq／L이라는 의미는 염기가 녹아있는 관망 내 물에 H⁺를 첨가할 때 당량은 0.2 mmol／L라는 의미이다.

당량 이상으로 H⁺를 첨가하면 pH가 급락한다.

 

Q2. 정수장으로 들어가는 관망 내 물에 존재하는 총 탄산이온 농도(mM)를 구하시오. (단, 총 탄산이온 농도 C_T = [H₂CO₃]＋[HCO₃^-]＋[CO₃^2-]로 정의한다.)

A2. 

핸더슨-하셀바흐 식（pH = pK_a + log（[A^-]／[HA] )）을 적용한다.

5.8 = 6.35 + log（[HCO₃^-]／[H₂CO₃]） → [HCO₃^-]／[H₂CO₃] = 0.282

5.8 = 10.33 + log（[CO₃^2-]／[HCO₃^-]）→ [CO₃^2-]／[HCO₃^-] = 2.95 × 10^-5 ≃ 0

알칼리도 = 2 × [CO₃^2-] + [HCO₃^-] + [OH^-] - [H⁺] ≃ [HCO₃^-] = 0.2 mM

C_T = [H₂CO₃] + [HCO₃^-] + [CO₃^2-] ≃ [H₂CO₃] + [HCO₃^-] = 0.2 ÷ 0.282 + 0.2 = 0.909 mM

 

Q3. 정수장 물 1 L 당 0.5 mmol의 NaHCO₃를 주입하면 pH와 알칼리도는 어떻게 변화될지 예측하시오.

A3. 

알짜 반응식 : HCO₃^- + H⁺ → H₂CO₃ 

○ [H₂CO₃] = 0.2 ÷ 0.282 + α = 0.709 + α ≃ 0.709

○ [HCO₃^-] = 0.2 + 0.500 - α = 0.700 - α ≃ 0.700

○ [H⁺] = 10^-5.8 - α

10^-6.35 = [HCO₃^-] × [H⁺] ÷ [H₂CO₃] = 0.700 × [H⁺] ÷ 0.709

결론 1. pH = 6.344

결론 2. 알칼리도 = 2 × [CO₃^2-] + [HCO₃^-] + [OH^-] - [H⁺] ≃ [HCO₃^-] = 0.7 meq／L

 

입력: 2019.03.30 21:32

수정: 2023.05.03 00:41