화학 반응식의 양적 관계 연습하기

 

고등학교 화학1 - 화학 반응식의 양적 관계 연습하기

2019 PEET 화학추론(일반화학) 11번 풀이

 

  2019학년도 약학대학입문자격시험(PEET) 화학추론 풀이를 준비하다가, 화학1 공부하는 고등학생들에게 도움이 될만한 문제를 발견해서 급작스럽게 이 글을 쓰게 되었다. 그래서 전반적인 내용이 기출 풀이가 될 것임에도 불구하고, 일부러 화학노트 카테고리로 분류했다.

  이 글에서 다룰 문제는 2019학년도 PEET 화학추론(일반화학) 문제 11 번이다. 출처는 한국약학교육협의회이다. 문제 배점은 4 점으로 중간 난이도로 분류되었지만, 관련 개념을 이해한 고등학생들이라면 어렵지 않게 풀 수 있을만한 난이도라 개인적으로는 생각한다. (참고로 PEET 화학추론은 총 25 문항으로 3 점 5 문항, 4 점 15 문항, 5 점 5 문항이다.)

  문제를 해결하는 과정에서 화학 반응식 완성시키기, 변환 인자로서 몰 개념 사용하기, 화학 반응식에서 한계 반응물 파악하여 생성물의 양 예측하기 등의 개념을 한꺼번에 연습할 수 있기에 좋은 문제라는 생각이 들었다. 

 

---

 

2019 PEET 화학추론(일반화학) 11번

 

[풀이]

  고등학생들에게는 다소 생소할 수 있는 암모니아(NH₃)와 일산화이질소(N₂O)의 반응이지만 당황할 필요는 없다. 화학 반응식이 완성되지 않았기에 가장 먼저 해야할 일은 N₂O와 H₂O의 계수를 결정하는 것이다. 억지로 미정계수법을 사용하도록 유도하여 단순 계산에 시간을 허비하게 하지 않아서 좋다.

  1) 반응 전후의 질소 원자 수 비교, 반응 전후의 수소 원자 수 비교를 통해 화학 반응식을 완성하자. 반응 전 NH₃, N₂O의 모든 N(질소)는 반응 후, 모두 질소 기체(N₂)로 변했다. 반응 전 NH₃의 모든 H(수소)는 반응 후, 모두 물(H₂O)로 변했다. 간단하게 a = 3, b = 3이라는 것을 알 수 있다. 화학 반응식을 완성했다.

2 NH₃   +   3 N₂O   →   4 N₂   +   3 H₂O

  2) 화학 반응식이 완성되면, 가장 먼저 파악해야 할 것이 "물질들 사이에 어떤 개수 비(몰비)로 반응하고, 생성되는가?"이다. 최종적으로 알고자 하는 것이 질량이든, 부피든 상관 없이 결국은 물질들 사이의 개수 비(몰비)로부터 시작한다. 개수(몰)비를 파악하는 것이 첫 번째이다.

- NH₃와 N₂O는 2 : 3의 개수 비(몰 비)로 반응한다.

- NH₃ 2(몰)개가 반응하면, N₂ 4(몰)개, H₂O 3(몰)개가 생성된다.

- 반응한 N₂O와 생성된 H₂O의 개수(몰)는 같다. 다시 말해 N₂O 3(몰)개가 반응하면, H₂O 3(몰)개가 생성된다.

  3) 주어진 그래프는 n 몰의 N₂O와 반응한 NH₃의 몰수에 따른 생성된 H₂O의 질량 그래프이다. 질량 정보는 물의 분자량(18)을 이용하여 몰 정보로 바꾸자. 그래프에서 NH₃의 양을 1 몰 보다 늘려도 생성된 H₂O 질량이 27 g(1.5 몰)에서 더 이상 늘어나지 않는다는 것은 N₂O가 한계 반응물이라는 것을 말해준다.

2019 PEET 화학추론(일반화학) 11번

  4) N₂O가 한계 반응물이라는 것은 생성물의 양이 N₂O 양에 따라 결정된다는 뜻이다. 최종적으로 H₂O가 1.5 몰(27 g)이 생성되었는데, 이것은 N₂O n 몰이 모두 소진되었을 때, 만들어진 양이다. 위의 2) 에서 언급했듯이 반응한 N₂O와 생성된 H₂O의 개수(몰수)는 1:1로 같으므로 초기 N₂O의 몰 수 n = 1.5 몰이었다는 것을 말해준다.

  5) 그렇다면, 초기 NH₃의 양이 2 몰이면 생성물의 양은 어떻게 될까? NH₃의 양이 100 몰이건 1000몰이건 상관없이 생성물의 양을 바꾸지 못한다. 왜냐하면 초기 N₂O는 어차피 n = 1.5 몰 밖에 없기 때문이다.

  6) N₂O와 N₂ 사이에는 3 : 4 의 개수 비가 성립한다. 따라서 N₂O 1.5 몰이 반응한다면, N₂는 2 몰이 생성된다. NH₃의 양을 아무리 늘여도 N₂는 2 몰을 넘어서지 않는다. N₂의 입자수는 2 몰 x 아보가드로수(N_A) [개/몰] = 2N_A 개이다.

  위의 과정을 거치면, <보기>의 내용은 쉽게 해결된다. 답은 ⑥번 ㄴ, ㄷ이다.

 

---

* 2020-06-17 덧붙인 글

  - 오후에 본문을 작성하고, 집에 돌아와서 2020학년도 6월 학력평가(2학년, 6월 17일 시행) 문제를 풀어보았는데, 위의 PEET 문제와 매우 유사한 형태로 출제되었다. 반가운 나머지 해당 문항을 캡쳐하여 첨부한다. 2020학년도 고등학교 2학년 6월 학력평가 주관 기관은 부산시 교육청이다.

2020학년도 6월 고2 학력평가 화학1 15번 [주관기관: 부산시 교육청]

  - 간략히 풀이하면, (가) 그래프의 생성된 H₂의 질량을 통해 1 몰이 생성되었음을 알 수 있고, 반응에 참여한 Mg 1 몰, HCl은 2 몰임을 알 수 있다. Mg와 NaHCO₃가 같은 몰수 사용되었다는 문제 조건에 따라 (나)의 NaHCO₃ 역시 1 몰 반응했으며, HCl 1 몰이 소모되어 CO₂ 1 몰, w=44 g을 생성함을 알 수 있다. a와 b가 부피 값이지만, 농도가 일정할 때, 몰수와 부피에 비례하므로, b/a 값은 1/2임을 알 수 있다. 따라서 bw/a 값은 22가 된다.