【환경화학】 2020 국가공무원 5급(기술) 제1문

2020 국가공무원 5급(기술) 제1문^]

 

추천글 : 【환경화학】 환경화학 목차 

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a. 산화환원반응

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Q. 산소(O₂), 질산이온(NO₃^-), 황산이온(SO₄^2-) 성분이 용존해 있는 호수에 유기물이 다량 유입되는 사고가 발생한 후, 시간이 경과함에 따라 호수에 용존해 있던 세 성분이 모두 사라지게 되었다. 다음 물음에 답하시오. 

 

Q1. 호수에 용존해 있던 산소, 질산이온, 황산이온의 공통적인 역할 및 유기물과 반응 후 발생한 가스상 생성물에 대하여 설명하시오.

A1. 

○ oxic respiration : O₂ + 0.5C₂H₃O₂^- → 0.5H⁺ + HCO₃^-.    ΔG (acetate) = -402 kJ/reaction

○ denitrification : 0.6H⁺ + 0.8NO₃^- + 0.5C₂H₃O₂^- → 0.4N₂ + HCO₃^- + 0.2H₂O.    ΔG (acetate) = -359 kJ/reaction

○ Mn reduction : 3.5H⁺ + 2MnO₂ + 0.5C₂H₃O₂^- → 2Mn²⁺ + HCO₃^- + 2H₂O.    ΔG (acetate) = -385 kJ/reaction

○ Fe reduction : 7.5H⁺ + 4FeOOH + 0.5C₂H₃O₂^- → 4Fe²⁺ + HCO₃^- + 6H₂O.    ΔG (acetate) = -241 kJ/reaction

○ sulphate reduction : 0.5H⁺ + 0.5SO₄^2- + 0.5C₂H₃O₂^- → 0.5H₂S + HCO₃^-.    ΔG (acetate) = -43.8 kJ/reaction

○ methanogenesis : 0.5H₂O + 0.5C₂H₃O₂^- → 0.5CH₄ + 0.5HCO₃^-.    ΔG (acetate) = -19.9 kJ/reaction

 

출처 : Roberts, A. P. (2015). Magnetic mineral diagenesis. Earth-Science Reviews, 151, 1-47.

 

산소 내 산소 원자의 산화수 : 0 → -2

질산이온 내 질소 원자의 산화수 : +5 → 0

황산이온 내 황 원자의 산화수 : +6 → -2

따라서 산소, 질산이온, 황산이온 모두 유기물을 산화시키고 분해한다.

 

산소와 유기물의 반응 후 HCO₃^-가 생성되며 적절한 조건 하에서 CO₂가 생성된다.

질산이온과 유기물의 반응 후 질소 기체가 생성된다.

황산이온과 유기물의 반응 후 황화수소 기체가 생성된다.

 

Q2. 호수에 용존해 있던 질산이온이 황산이온보다 먼저 사라지는 이유를 열역학적 개념을 이용하여 설명하시오. 

 

A2. 

1몰의 질산이온이 반응하면 0.5몰의 질소 기체가 생성된다.

1몰의 황산이온이 반응하면 1몰의 황화수소 기체가 생성된다.

따라서 엔트로피적으로 황산이온의 반응이 더 선호된다.

 

다음은 ㅠㅠ님의 답변을 위해 추가한 자료입니다.

 

출처 : 표 클릭

 

질산이온의 반응이 더 선호된다.

열역학적 이유. 실제로 질산이온 반응에서 ΔE = 113.6 kcal / mol CH₂O이고, 황산이온 반응에서 ΔE = 24.4 kcal / mol CH₂O이다.

반응속도론적, 열역학적 이유. 산화수 변화가 적을수록 반응이 일어나기 용이하다. 

산화수 변화가 클수록 반응속도론적으로, 열역학적으로 더 많은 화학적 변화를 수반하기 때문이다.

환원되는 쪽이 일반적으로 에너지 준위가 높은데, 더 많이 환원되면 상당히 에너지적으로 불안정해질 수 있다. 

그리고 본 문제처럼 산화되어 안정해지는 화학종이 동일할 때 위 경향성이 더 분명해진다.

질산이온 반응의 경우 산화수의 변화가 5에 불과하다.

황산이온 반응의 경우 산화수의 변화가 8이나 된다.

따라서 질산이온 반응이 엔탈피적으로 더 선호된다.

 

A comparison of electron transfer mechanisms associated with nitrate and sulfate reduction provides the rationale for reaction dominance. In denitrification or nitrate reduction, complete conversion of one nitrate ion to nitrogen gas involves reduction in the oxidation state of nitrogen progressively from +5 to zero, representing a transfer of five electrons per nitrogen atom. However, during sulfate reduction, the transformation of a sulfate ion to sulfide involves a change in the oxidation state of sulfur from +6 to –2, representing a transfer of eight electrons per sulfur atom. 

Ersever, I., Ravindran, V., & Pirbazari, M. (2007). Biological denitrification of reverse osmosis brine concentrates: II. Fluidized bed adsorber reactor studies. Journal of Environmental Engineering and Science, 6(5), 519-532.

 

 

생물학적 이유. sulfate-reducing bacteria가 nitrate-reducing보다 증식 속도가 느리다.

이는 nitrate-reducing bacteria가 더 발달된 전자수용체를 갖기 때문이다. (Postgate 1984)

 

종합적으로 질산이온의 반응이 더 선호된다.

이는 자유에너지 수치를 통해 확인할 수 있다.

질산이온 반응의 경우 ΔG (acetate) = -359 kJ/reaction이다.

반면, 황산이온 반응의 경우 ΔG (acetate) = -43.8 kJ/reaction이다. 

따라서 질산이온 반응이 더 자유에너지가 낮으므로 더 우선적으로 반응이 일어난다.

 

Q3. 호수에서 산소, 질산이온, 황산이온이 유기물과 반응하여 모두 사라진 다음에는 어떤 현상이 발생할 것인지 예측하고, 그때 발생하는 가스상 생성물을 제시하시오. 

 

A3. methanogenesis가 일어나며 CO₂가 발생한다.

 

Q4. 위 과정에서 열거한 유기물과 반응하여 생성된 가스상 물질들이 환경에 미치는 영향을 설명하시오. 

 

A4. 크게 두 가지 영향이 예상된다.

첫째, 중탄산이온(HCO₃^-)이 생성됨에 따라 pH가 약알칼리로 조정된다.

둘째, 유독한 기체인 H₂S가 생성됨에 따라 생태계가 파괴될 수 있다.

 

입력: 2020.09.05 23:20