【공업화학】 2017 국가공무원 5급(기술) 제2문

2017 국가공무원 5급(기술) 제2문^]

 

추천글 : 【공업화학】 공업화학 목차 

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a. 전기화학 

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Q. 전기 분해는 전기 에너지를 이용하여 비자발적 화학 반응을 일으키는 공정이다. 물의 전기 분해와 NaCl 수용액의 전기 분해에 대하여 다음 물음에 답하시오. (단, 물의 전기 분해에서 소량의 산성 전해질을 사용하였으며, 모든 전기 분해 반응의 전류 효율은 100%이다)

 

Q1. 물의  전기분해에서, (+)극과 (-)극에서 일어나는 반응의 식을 각각 기술하시오.

 

A1. 

물의 전기분해 반응식은 암기해야 하는 게 아니라 유도해야 하는 것이다.

중학교 과정만 하더라도 물의 전기분해를 통해 H₂(g)와 O₂(g)가 생성된다는 것을 알고 있다.

반응물은 H₂O(l)밖에 없고, H₂O(l)에서 H의 산화수는 +1, O의 산화수는 -2임을 상기하자.

그렇다면 H₂O(l)가 H₂(g)가 되는 반응에서 H의 산화수는 +1에서 0이 됐으므로 음극에서 일어나는 반응이다.

또한 H₂O(l)가 O₂(g)가 되는 반응에서 O의 산화수는 -2에서 0이 됐으므로 양극에서 일어나는 반응이다. 

산화수법에서 H와 O의 개수를 맞출 때 H⁺를 통해 맞추는 방법과 OH^-를 통해 맞추는 방법이 존재한다.

(+)극 : 

산 조건. 2H₂O(l) → O₂(g) + 4H⁺(aq) + 4e^-, -Eº = -1.229 V

염기 조건. 4OH^-(aq) → O₂(g) + 2H₂O(l) + 4e^-, -Eº = -0.401 V

(-)극 : 

 

산 조건. 2H⁺(aq) + 2e^- → H₂(g), Eº = 0.0 V

염기 조건. 2H₂O(l) + 2e^- → H₂(g) + 2OH^-(aq), Eº = -0.829 V

 

앞서 소량의 산성 전해질을 사용했음을 밝혔으므로 양극과 음극 모두 산 조건 반응식을 기술해야 한다.

 

Q2. 물의 전기 분해에서, 1 Faraday의 전하를 흘려주었을 때 (+)극과 (-)극에서 생성되는 기체의 몰수를 각각 구하시오.

 

A2. 

1 Faraday의 전하를 흘려주었다는 것은 1 mol의 전하를 흘려주었다는 것으로 이해해도 무방하다.

(+)극에서는 전자 4 mol당 O₂ 1 mol이 생성되므로 0.25 mol의 O₂(g)가 생성됨을 알 수 있다.

(-)극에서는 전자 2 mol당 H₂ 1 mol이 생성되므로 0.5 mol의 H₂(g)가 생성됨을 알 수 있다.

 

Q3. NaCl 수용액의 전기 분해에서, (+)극과 (-)극 각각에서 우선적으로 일어나는 반응의 식을 기술하시오.

 

A3. 

(-)극에서는 다음과 같은 전기 분해가 가능하다.

 

후보 1. 2H⁺(aq) + 2e^- → H₂(g), Eº = 0.0 V

후보 2. Na⁺(aq) + e^- → Na(s), Eº = -2.71 V

 

 

구체적인 환원전위 값을 모르더라도 Na⁺가 이온화경향이 굉장히 커서 환원반응을 하지 않음을 유추할 수 있다.

 

(-)극 : 2H⁺(aq) + 2e^- → H₂(g)

 

(+)극에서는 다음과 같은 전기 분해가 가능하다.

 

후보 1. 2H₂O(l) → O₂(g) + 4H⁺(aq) + 4e^-, -Eº = -1.229 V

후보 2. 2Cl^-(aq) → Cl₂(g) + 2e-, -Eº = -1.36 V

 

두 반쪽 반응식의 표준환원전위가 비슷하기 때문에 O₂(g)와 Cl₂(g)가 동시에 생성되기를 기대할 수 있다.

실제 반응을 진행시켜보면 유일한 생성물은 Cl₂(g)이다. 

 

(+)극 : 2Cl^-(aq) → Cl₂(g) + 2e-

 

사실 주어진 문제에서 NaCl은 어떤 식으로든 Q1과 답이 달라야 한다.

Na⁺가 환원되기란 굉장히 어렵다. (금속 나트륨은 굉장히 격렬히 반응한다!)

따라서 Cl^-의 산화반응이 답으로 요구될 것이라는 사실을 쉽게 유추할 수 있다.

 

입력: 2019.05.18 12:40