【환경화학】 2007 국가공무원 5급(기술) 제4문

2007 국가공무원 5급(기술) 제4문^]

 

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a. 산화환원반응 

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풀이항상감사해요 님 지적사항 반영 (23.01.28)

당근 님 지적사항 반영 (23.12.16)

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Q. 중크롬산칼륨을 산화제로 사용하여 COD를 측정하는 실험과 관련된 문제이다. 아래 주어진 화학식을 참고하여 물음에 답하시오.

 

○ 미생물에 의한 유기물의 산화반응

 

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O - ①

 

○ 산성조건에서 K₂Cr₂O₇가 유기물을 산화시킬 때의 반응식 

 

C₆H₁₂O₆ + 4K₂Cr₂O₇ + 16H₂SO₄ → 4Cr₂(SO₄)₃ + 4K₂SO₄ + 6CO₂ + 22H₂O - ②

 

Q1. 식 ②에서 K₂Cr₂O₇의 당량을 구하시오. (단, K₂Cr₂O₇의 g 분자량은 294이다)

 

A1. 

○ K₂Cr₂O₇에서 Cr의 산화수 : +6

○ Cr₂(SO₄)₃에서 Cr의 산화수 : +3

○ 1 g의 K₂Cr₂O₇이 반응할 때 환원되는 전자의 몰 수 = 1 g × 1 mol / 294 g × 2 × 3 = 0.02040816 mol

○ 산화∙환원 반응에서 gram equivalent란 1몰의 전자를 제공하거나 1몰의 전자와 반응하는 물질의 양

○ ∴ K₂Cr₂O₇의 g 당량 = 49 g

 

Q2. 식 ①과 ②를 비교하여, 유기물과 반응하는 산소와 중크롬산칼륨 사이의 관계를 당량이란 관점에서 설명하시오.

 

A2. 

○ O₂에서 O의 산화수 : 0

○ CO₂에서 O의 산화수 : -2

○ 1 g의 O₂가 반응할 때 환원되는 전자의 몰 수 = 1 g × 1 mol / 32 g × 2 × 2 = 0.125 mol

○ ∴ O₂의 g 당량 = 8 g

○ 따라서 COD를 계산할 때 간접적으로 K₂Cr₂O₇를 쓰는데, 이때 K₂Cr₂O₇ 49 g이 반응하면 O₂가 8 g 반응한 것으로 간주

 

Q3. 수질오염공정법에 제시된 대로 실험을 하는 도중 용액의 색이 주황색에서 청녹색으로 바뀌었다면, 그 이유는 무엇이며 어떤 조치를 해야 하는가?

 

A3. 

 

출처 : 이미지 클릭

Figure. 1. 수질오염공정법

 

○ 단계 1. 샘플에 중크롬산칼륨을 첨가 

○ 단계 2. 만약 첨가한 중크롬산칼륨의 양이 적은 경우 용액의 색이 주황색에서 청녹색으로 변할 수 있음

○ 답안 1.

○ 배경지식 : K₂Cr₂O₇는 주황색이고 Cr₂(SO₄)₃은 청녹색

 

출처 : 이미지 클릭

Figure. 2. 왼쪽은 K₂Cr₂O₇, 오른쪽은 Cr₂(SO₄)₃

 

○ 이유 : K₂Cr₂O₇이 모두 반응하여 Cr₂(SO₄)₃만 남게 되면 용액은 Cr₂(SO₄)₃의 색인 청녹색이 될 수 있음

○ 조치 : 만약 반응이 완전히 끝나지 않았다면 추가적인 중크롬산칼륨이 필요할 수 있음

○ 단계 3. 만약 첨가한 중크롬산칼륨의 양이 과량인 경우, 이를 정량하기 위한 추가적인 스텝이 필요함

○ 단계 4. 과량의 중크롬산칼륨이 있는 용액에 1~2 방울의 Ferroin [(1,10-phenanthroline-iron (Ⅱ)]  지시약과 과량의 표준 Mohr 염(ferrous ammonium sulphate)을 첨가

○ 단계 5. 이때 용액은 청록색이 됨

○ 답안 2.

○ 배경지식 

 

[Fe(C₁₂H₈N₂)₃]³⁺ (bluish green) + e^- ↔ [Fe(C₁₂H₈N₂)₃]²⁺ (deep red)

 

○ 이유 : Ferroin 지시약이 산화된 Fe (Ⅲ) 상태일 때는 청록색, 환원된 Fe (Ⅱ) 상태일 때는 진한 빨간색을 띰

○ 조치 : 수질오염공정법을 제대로 잘 수행하고 있으므로, 마지막 산화환원적정 과정을 통해 Mohr 염, 더 나아가 중크롬산칼륨 및 유기물의 농도를 정량 

 

입력 : 2022.11.12 10:26