【환경화학】 2022 국가공무원 5급(기술) 제2문

2022 국가공무원 5급(기술) 제2문^]

 

추천글 : 【환경화학】 환경화학 목차 

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a. 이론 : 산화환원 반응, 전기화학, 화학평형, 산·염기 반응 

b. 비슷한 문제 : 2013년 2문, 2017년 3문, 2024년 1문 

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Q. 질산염(NO₃^-)과 산소(O₂)는 미생물이 유기오염물질을 분해할 때 사용하는 주요 최종전자수용체이다. 표준상태에 이들의 표준환원전위는 다음과 같다. 다음 물음에 답하시오.

 

○ O₂ (g) + 4H⁺ (aq) + 4e^- → 2H₂O (l),    E° = +1.229 V, pE° = 20.8

○ 2NO₃^- (aq) + 12H⁺ (aq) + 10e^- → N₂ (g) + 6H₂O (l),    E° = +1.25 V, pE° = 21.1 

 

Q1. pH가 8.0이고, 질산염의 농도가 10^-3 M인 조건에서 질산염 환원반응의 pE를 계산하시오. (단, 질소 기체의 부분압력은 1 atm으로 가정한다)

 

A1. 

○ 기본적으로 ΔGº = -nFEº = -RT lnK ⇔ log K = nFEº / 2.3RT = 일정를 이용함  

○ -log ([e^-]) ≡ pE

○ K = P_N2 / ( [NO₃^-]² × [H⁺]¹² × [e^-]¹⁰ ) 

○ log K = log (P_N2) - 2 log [NO₃^-] + 12 pH + 10 pE = 일정 

○ log K = 10 pE° = 211 = (-2) × (-3) + 12 × 8 + 10 pE = 102 + 10 pE

○ 참고로, pE°는 -log E°가 아니라 -log ([e^-])를 의미함 

○ 참고로, 위에서 10 pE°이라고 표현한 것은 표준상태에서는 P = 1 atm, pH = 0이기 때문 

○ 참고로, pE° = FE° / 2.3RT = 16.9 E°가 성립

○ ∴ pE = 10.9

 

Q2. pH가 8.0일 때, 산소 환원반응의 pE를 산소기체 부분압력의 함수로 나타내시오. 이 때 산소의 부분압력이 얼마 이상이면 산소를 최종전자수용체로 활용하는 것이 더 유리한지 설명하시오. 

 

A2.

○ K = 1 / (P_O2 × [H⁺]⁴ × [e^-]⁴) 

○ log K = - log (P_O2) + 4 pH + 4 pE = pO₂ + 4 pH + 4 pE = 일정

○ log K = 4 pE° = 83.2 = pO₂ + 4 pH + 4 pE = pO₂ + 32 + 4 pE

○ ∴ pE = 12.8 + 0.25 log (P_O2)

○ 12.8 + 0.25 log (P_O2) > 10.9로부터, P_O2 > 2.51 × 10^-8 (atm)이면 산소를 최종전자수용체로 활용하는 게 유리함

○ 단, pE는 전자가용률로서 전자수용체를 평가할 때 좋은 척도가 될 수 있음 

 

입력: 2022.08.07 14:54